// SCINEXX — SPAZIO & SCIENZA
Supraleiter, der die Zeitumkehrsymmetrie „bricht“, entdeckt
Ein Supraleiter muss nicht zum magnetisch komplexeren Typ II gehören, um ungewöhnliche Elektronenpaarung zu zeigen. In YbSb₂ entstehen beim Übergang in den supraleitenden Zustand winzige spontane Magnetfelder, die auf gebrochene Zeitumkehrsymmetrie hinweisen. Messungen und Modellrechnungen deuten zudem auf eine ungewöhnliche Triplett-Paarung und mögliche topologische Oberflächenzustände hin.
Kanpur (Indien). Supraleiter lassen sich auf zwei voneinander unabhängigen Ebenen einordnen, denn konventionell oder unkonventionell bezeichnet die Art der Elektronenpaarung, während Typ I und Typ II die Reaktion auf äußere Magnetfelder beschreiben. Eine spontane Brechung der Zeitumkehrsymmetrie, ein wichtiges Kennzeichen ungewöhnlicher Paarungszustände, war bislang vor allem aus Typ-II-Supraleitern bekannt.
YbSb₂ stellt diese gewohnte Verbindung infrage, weil das als Typ-I-Supraleiter bekannte Material unterhalb seiner Sprungtemperatur von selbst winzige innere Magnetfelder entwickelt. Da sich die Richtung eines Magnetfelds bei einer mathematischen Zeitumkehr umkehrt, deutet ein solches Signal ohne äußeres Feld darauf hin, dass der supraleitende Zustand die Zeitumkehrsymmetrie bricht.
Forscher des Indian Institute of Technology Kanpur (IITK) um Sudeep Kumar Ghosh haben dafür gemeinsam mit einem internationalen Team Einkristalle von YbSb₂ untersucht, die mit einem modifizierten Bridgman-Verfahren hergestellt wurden. Widerstands- und Wärmekapazitätsmessungen bestätigten einen einzigen supraleitenden Übergang bei 0,95(1) Kelvin und sprechen zugleich für eine vollständig geöffnete supraleitende Energielücke ohne Knoten.
Entscheidend waren Messungen mit Myonenspin-Rotation und -Relaxation (μSR), bei denen die Relaxationsrate der Myonen ohne angelegtes Magnetfeld unterhalb der Sprungtemperatur deutlich zunahm. Aus dieser Änderung leitet das Team ein spontanes inneres Magnetfeld von etwa 0,44(3) Gauß ab, während ein schwaches Längsfeld von rund zehn Millitesla die zusätzliche Relaxation unterdrückte. Das spricht dafür, dass es sich um ein statisches oder quasistatisches Magnetfeld handelt und nicht um eine schnelle magnetische Fluktuation.
Eine zweite μSR-Variante prüfte zugleich den Typ-I-Charakter und zeigte bei einem äußeren Feld von 40 Gauß ein zusätzliches Feldsignal nahe 51 Gauß. Das passt zum Zwischenzustand eines Typ-I-Supraleiters, in dem supraleitende und normalleitende Bereiche nebeneinander vorkommen, und ergibt bei 0,1 Kelvin ein kritisches Feld von 51(1) Gauß. Die Messungen lieferten dabei keinen Hinweis auf einen Übergang zu Typ II oder auf einen gemischten Typ-1,5-Zustand.
Die Kombination aus gebrochener Zeitumkehrsymmetrie und vollständig geöffneter Energielücke schränkt mögliche Paarungszustände stark ein, weil die für YbSb₂ zulässigen einbandigen Zustände mit Symmetriebruch Knoten in der Energielücke besitzen würden. Das widerspricht den Messdaten, während Berechnungen zugleich zeigen, dass mehrere Elektronenorbitale wesentlich zu den Zuständen an der Fermi-Energie beitragen.
Als plausibelsten Kandidaten diskutiert das Team deshalb einen intern antisymmetrischen, nichtunitären Triplett-Zustand, kurz INT, bei dem Elektronen aus unterschiedlichen Orbitalen am selben Gitterplatz ein Paar bilden. Die zusätzliche Orbitalfreiheit ermöglicht in der Modellierung einen voll geöffneten Paarungszustand, der zugleich die Zeitumkehrsymmetrie brechen kann. Dieser Mechanismus folgt jedoch aus Symmetrieanalyse und theoretischer Modellierung, eine direkte experimentelle Bestimmung der Paarungsfunktion steht noch aus.
Auch die elektronische Struktur von YbSb₂ fällt aus dem üblichen Bild, denn Erstprinzipienrechnungen ordnen den Normalzustand als topologisches Z₂-Metall mit einer Dirac-Knotenlinie nahe der Fermi-Energie ein. In einem effektiven Modell des vorgeschlagenen INT-Zustands entstehen zusätzlich lückenlose Majorana-Oberflächenmoden, die als besondere Anregungen an der Materialoberfläche auftreten würden. Die veröffentlichte Stud