Durchbruch in der Supraleitung: Wissenschaftler entdecken neuen Zustand der Quantenmaterie

Von der Cornell University, 29. August 2023

Wissenschaftler von Cornell entdeckten einen neuen Zustand der Quantenmaterie in Uranditellurid, der Quantencomputer und Spintronik revolutionieren könnte, indem er die Materialplattform für ultrastabile Quantencomputer bildet und neue Wege zur Identifizierung solcher Zustände in verschiedenen Materialien aufzeigt.

Researchers from Cornell University have identified a new state of matter in candidate topological superconductors, a discovery that may have far-reaching implications for both condensed matter physics and the fields of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Quantencomputing und Spintronik.

Forscher der Macroscopic Quantum Matter Group in Cornell haben mit einem der leistungsstärksten Millikelvin Scanned Josephson Tunneling Microscopes (SJTM) der Welt einen kristallinen, aber supraleitenden Zustand in einem neuen und ungewöhnlichen Supraleiter, Uranditellurid (UTe2), entdeckt und sichtbar gemacht. Dieser „Spin-Triplett-Elektronenpaar-Kristall“ ist ein bisher unbekannter Zustand topologischer Quantenmaterie.

Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Qiangqiang Gu, ein Postdoktorand, der im Labor des Physikers JC Séamus Davis, des emeritierten James Gilbert White Distinguished Professor am College of Arts and Sciences, arbeitet, leitete die Forschung gemeinsam mit Joe Carroll vom University College Cork und Shuqiu Wang von der Universität Oxford.

Supraleiter sind topologisch, wenn das Paarungspotential eine ungerade Parität aufweist, was dazu führt, dass jedes Elektronenpaar einen Spin-Triplett-Zustand annimmt, wobei beide Elektronenspins in die gleiche Richtung ausgerichtet sind. Topologische Supraleiter seien das Ziel intensiver Forschung von Physikern, da sie theoretisch die Materialplattform für ultrastabile Quantencomputer bilden könnten, sagte Gu.

Doch selbst nach einem Jahrzehnt intensiver Erforschung der topologischen Supraleitung wurden keine Massenmaterialien definitiv als Spin-Triplett-Supraleiter mit ungerader Parität erkannt, mit Ausnahme des supraflüssigen 3He, das ebenfalls in Cornell entdeckt wurde. Kürzlich hat sich das exotische neue Material Uranditellurid (UTe2) als vielversprechender Kandidat für diese Klassifizierung herausgestellt. Der Parameter der supraleitenden Ordnung sei jedoch weiterhin unklar, sagte Gu.

Im Jahr 2021 begannen theoretische Physiker vorzuschlagen, dass sich UTe2 tatsächlich in einem topologischen Paardichtewellenzustand (PDW) befindet. Eine solche Form von Quantenmaterie wurde noch nie entdeckt.

Vereinfacht ausgedrückt ist ein PDW wie ein stationärer Tanz der gepaarten Elektronen in einem Supraleiter, aber die Paare bilden im Raum periodische kristalline Muster.

„Unser Team in Cornell entdeckte 2016 mit dem Scanned Josephson Tunneling Microscope mit supraleitender Spitze, das wir zu diesem Zweck erfunden hatten, das erste PDW, das jemals beobachtet wurde“, sagte Gu. „Seitdem haben wir Pionierarbeit bei SJTM-Studien bei Temperaturen im Millikelvin-Bereich und mit Energieauflösung im Mikrovoltbereich geleistet. Für das UTe2-Projekt haben wir die räumlichen Modulationen des supraleitenden Paarungspotentials auf atomarer Ebene direkt visualisiert und festgestellt, dass sie in einem PDW-Zustand genau wie vorhergesagt modulieren, da sich die Dichte der Elektronenpaare im Raum periodisch moduliert. Was wir entdeckt haben, ist ein neuer Zustand der Quantenmaterie – eine topologische Paardichtewelle bestehend aus Spin-Triplett-Cooper-Paaren.“

Cooper-Paar-Dichtewellen sind eine Form elektronischer Quantenmaterie, bei der Elektronenpaare in einem supraleitenden PDW-Zustand einfrieren, anstatt eine herkömmliche „supraleitende“ Flüssigkeit zu bilden, in der sich alle im gleichen frei beweglichen Zustand befinden.

„Die Entdeckung des ersten PDW in Spin-Triplett-Supraleitern ist aufregend“, sagte Gu. „Supraleitende Verbindungen mit schwerem Fermion auf Uranbasis sind eine neue und exotische Materialklasse, die eine vielversprechende Plattform für die Verwirklichung topologischer Supraleitung bietet. … Unsere wissenschaftliche Entdeckung weist auch auf die allgegenwärtige Natur dieses faszinierenden Quantenzustands in S-Wellen-, D-Wellen- und P-Wellen-Supraleitern hin und wirft Licht auf neue Wege zur Identifizierung solcher Zustände in einem breiten Spektrum von Materialien.“

Referenz: „Detection of a Pair Density Wave State in UTe2“ von Qiangqiang Gu, Joseph P. Carroll, Shuqiu Wang, Sheng Ran, Christopher Broyles, Hasan Siddiquee, Nicholas P. Butch, Shanta R. Saha, Johnpierre Paglione, JC Séamus Davis und Xiaolong Liu, 28. Juni 2023, Nature.DOI: 10.1038/s41586-023-05919-7