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In Supraleitern konkurrieren zwei Quantenzustände
Was begrenzt die Supraleitung in bestimmten Kupferoxiden? Ein neues Experiment zeigt, dass ein rätselhafter elektronischer Zustand der supraleitenden Ordnung entgegenwirken kann. Ein Laserimpuls macht die sogenannte Pseudolücke vorübergehend sichtbar, obwohl das Material ausreichend kalt ist. Wenn sich die Supraleitung wiederherstellt, verschwindet das zusätzliche Signal. Zeitweise lassen sich jedoch Merkmale beider Zustände zugleich beobachten.
Varennes (Kanada). Elektrischer Strom fließt in Supraleitern ohne elektrischen Widerstand. Doch selbst Kupferoxid-Supraleiter, die bei ungewöhnlich hohen Temperaturen funktionieren, benötigen dafür weiterhin starke Kühlung. Warum diese Materialien ihren widerstandsfreien Zustand bei einer bestimmten Temperatur verlieren, ist trotz jahrzehntelanger Forschung nicht vollständig geklärt.
Zu den offenen Fragen gehört die Rolle der sogenannten Pseudolücke. Dabei ist die Zahl verfügbarer Elektronenzustände in einem bestimmten Energiebereich teilweise vermindert. Ob dieses Phänomen die Supraleitung vorbereitet oder mit ihr konkurriert, wird seit Langem diskutiert. Frühere Messungen lieferten bereits Hinweise auf Konkurrenz, konnten die raschen Veränderungen zwischen beiden Zuständen aber nur eingeschränkt verfolgen.
Forscher des Flatiron Institute um Olivier Gingras haben nun mit Kollegen untersucht, wie sich beide Zustände gegenseitig beeinflussen, wenn ein kurzer Lichtpuls die Supraleitung stört. Dafür kombinierten sie Messungen an der Advanced Laser Light Source (ALLS) am Institut national de la recherche scientifique (INRS) mit theoretischen Modellrechnungen. Als Probe diente ein gezielt dotiertes Bismut-Kupferoxid, das unter normalen Bedingungen unterhalb von rund 91 Kelvin supraleitend wird.
Das Team nutzte die zeit- und winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie, um den Zustand der Elektronen auf extrem kurzen Zeitskalen zu erfassen. Ein ultrakurzer Laserimpuls störte die supraleitende Ordnung, ein zeitlich versetzter zweiter Puls löste Elektronen aus der Oberfläche. Aus deren Energie und Bewegungsrichtung konnten die Forscher rekonstruieren, wie sich das elektronische Spektrum im Verlauf weniger Pikosekunden veränderte. Eine Pikosekunde entspricht einer Billionstel Sekunde.
Bei schwächerer Anregung blieb die charakteristische Verteilung der gemessenen Elektronenzustände symmetrisch. Stärkere Lichtpulse ließen hingegen für etwa ein bis zwei Pikosekunden ein asymmetrisches Muster entstehen, wie es für eine Pseudolücke typisch ist. Dieses Signal war noch vorhanden, als die Temperatur der Elektronen bereits wieder unter der normalen Übergangstemperatur des Supraleiters lag. Der Effekt lässt sich deshalb nicht durch eine bloße Erwärmung der Probe erklären.
Nach etwa 3,5 Pikosekunden war das elektronische Spektrum wieder symmetrisch. Gleichzeitig war die supraleitende Ordnung weitgehend zurückgekehrt und das zuvor sichtbare Pseudolückensignal unterdrückt. Der Wechsel im selben Material liefert einen unmittelbaren Hinweis darauf, dass beide Zustände bei bestehender supraleitender Ordnung um elektronische Zustände konkurrieren.
„Wir zeigen wirklich, dass diese Zustände miteinander konkurrieren“, erklärt Olivier Gingras.
Eine strikte Trennung der beiden Phänomene beobachtete das Team allerdings nicht. Zu mittleren Zeitpunkten oder bei mittlerer Anregungsstärke traten Merkmale von Supraleitung und Pseudolücke gleichzeitig auf. Nach der Auswertung setzt ihre Konkurrenz offenbar vor allem dann ein, wenn sich die supraleitende Ordnung über größere Bereiche des Materials hinweg ausgebildet hat. Kurzreichweitige supraleitende Korrelationen können hingegen zeitweise neben dem Pseudolückensignal bestehen.
Zudem war der durch Licht erzeugte Zustand nicht in jeder Hinsicht mit der Pseudolücke bei höheren Temperaturen identisch. So lag das Minimum im elektronischen Spektrum an einer anderen Stelle. Ein theoretisches Modell konnte die Messwerte nur nachvollziehen, wenn es sowohl supraleitende K