Überraschender Quanteneffekt bei Fe-Supraleiter

25. November 2019, 09:13 Uhr
Die rot-gefärbten Peaks indizieren Kobalt-Atome. Bild: Princeton University.
Die rot-gefärbten Peaks indizieren Kobalt-Atome. Bild: Princeton University.
Supraleiter leiten Strom ohne Widerstand und sind daher potentielle Kandidaten für die verlustfreie Übertragung elektrischer Energie. Materialien auf Eisenbasis bleiben auch noch bei relativ hohen Temperaturen supraleitend. Wie die Supraleitung in eisenbasierten Materialien funktioniert, ist nach wie vor ein Rätsel, da der Magnetismus des Eisens die Supraleitung eigentlich verhindern sollte.

Die Forscher untersuchten das Verhalten von eisenbasierten Supraleitern mit Hilfe von Verunreinigungen durch Kobalt-Atome. Laut dem Theorem von Anderson von 1959 stört das Hinzufügen von Verunreinigungen zwar die Supraleitung, aber zerstört sie in vielen Fällen nicht. Kobalt scheint aber eine Ausnahme zu sein. Bei Zugabe von Kobalt in eisenbasierten Supraleitern geht die Supraleitung verloren. Bislang war unklar, wie dies passiert.

Per Rastertunnelmikroskopie wurde eine große Anzahl von Proben bei etwa 0,4 K untersucht. So konnte der Einfluss der Kobalt-Atome auf die Supraleitung sowohl lokal (atomar) als auch global gemessen werden. Dabei stellte sich heraus, dass jedes Kobaltatom einen begrenzten lokalen Einfluss hat, der zwei Atome entfernt verschwindet. Wenn die Kobaltkonzentration aber steigt, wird die Supraleitung irgendwann vollständig zerstört.
 

Quanten-Phasen-Effekt bei der Supraleitung. Video: Princeton University.
 
Supraleitung ist auf die Kopplung von zwei Elektronen zurückzuführen. Dies ermöglicht den Elektronen den widerstandslosen Transfer durch ein Material. Bei Lithium-Eisen-Arsenid ist die Streuung an der sogenannten Born-Grenze anscheinend in der Lage, Anderson's Theorem zu verletzen, was zu einem Quantenphasenübergang von einem supraleitenden zu einem nicht-supraleitenden Zustand führt.

Supraleiter können auch durch ihr Tunnelspektrum beschrieben werden. Lithium-Eisen-Arsenid- weist einen „S-Wellen-Spalt“ mit u-förmigem Boden im supraleitenden Energie-Spalt auf. Die Kobaltverunreinigungen unterdrücken nicht nur die Supraleitung, sie verändern auch die Art des Spalts. Die Forscher kamen daher zum Schluss, dass eine Alternative zu Anderson’s Theorem entwickelt werden muss.

Die Ergebnisse wurde in einem Artikel in den Physical Review Letters veröffentlicht.
 
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