In supraleitenden Materialien fließt ein elektrischer Strom ohne Widerstand. Es gibt eine ganze Reihe praktischer Anwendungen dieses Phänomens; Allerdings bleiben viele grundsätzliche Fragen noch unbeantwortet. Associate Professor Justin Ye, Leiter der Gruppe „Gerätephysik komplexer Materialien“ an der Universität Groningen, untersuchte die Supraleitung in einer Doppelschicht aus Molybdändisulfid und entdeckte neue supraleitende Zustände. Die Ergebnisse wurden am 4. November in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Supraleitung wurde in einschichtigen Kristallen beispielsweise aus Molybdändisulfid oder Wolframdisulfid nachgewiesen, die nur eine Dicke von drei Atomen haben. „In beiden Monoschichten gibt es eine besondere Art der Supraleitung, bei der ein internes Magnetfeld den supraleitenden Zustand vor externen Magnetfeldern schützt“, erklärt Ye. Die normale Supraleitung verschwindet, wenn ein großes externes Magnetfeld angelegt wird, diese Ising-Supraleitung ist jedoch stark geschützt. Selbst im stärksten statischen Magnetfeld Europas mit einer Stärke von 37 Tesla zeigt die Supraleitung in Wolframdisulfid keine Veränderung. Obwohl es großartig ist, einen so starken Schutz zu haben, besteht die nächste Herausforderung darin, einen Weg zu finden, diesen Schutzeffekt durch Anlegen eines elektrischen Feldes zu kontrollieren.

Neue supraleitende Zustände

Ye und seine Mitarbeiter untersuchten eine Doppelschicht aus Molybdändisulfid: „In dieser Konfiguration erzeugt die Wechselwirkung zwischen den beiden Schichten neue supraleitende Zustände.“ Ye schuf eine schwebende Doppelschicht mit einer ionischen Flüssigkeit auf beiden Seiten, mit der ein elektrisches Feld über der Doppelschicht erzeugt werden kann. „In der einzelnen Monoschicht wird ein solches Feld asymmetrisch sein, wobei auf der einen Seite positive Ionen und auf der anderen negative Ladungen induziert werden. Allerdings kann in der Doppelschicht die gleiche Ladungsmenge an beiden Monoschichten induziert werden, wodurch ein symmetrisches System entsteht“, erklärt Ye. Das so entstandene elektrische Feld konnte zum Ein- und Ausschalten der Supraleitung genutzt werden. Dies bedeutet, dass ein supraleitender Transistor geschaffen wurde, der durch die ionische Flüssigkeit gesteuert werden konnte.

In der Doppelschicht verschwindet der Ising-Schutz gegen äußere Magnetfelder. „Dies geschieht aufgrund von Veränderungen in der Interaktion zwischen den beiden Schichten.“ Das elektrische Feld kann jedoch den Schutz wiederherstellen. „Das Schutzniveau hängt davon ab, wie stark Sie das Gerät schützen.“

Cooper-Paare

Neben der Entwicklung eines supraleitenden Transistors machten Ye und seine Kollegen noch eine weitere interessante Beobachtung. Im Jahr 1964 wurde die Existenz eines besonderen supraleitenden Zustands vorhergesagt, der sogenannte FFLO-Zustand (benannt nach den Wissenschaftlern, die ihn vorhergesagt haben: Fulde, Ferrell, Larkin und Ovchinnikov). Bei der Supraleitung bewegen sich Elektronen paarweise in entgegengesetzte Richtungen. Da sie sich mit der gleichen Geschwindigkeit fortbewegen, haben diese Cooper-Paare einen Gesamtimpuls von Null. Im FFLO-Zustand gibt es jedoch einen kleinen Geschwindigkeitsunterschied und daher ist der kinetische Impuls nicht Null. Bisher wurde dieser Zustand nie richtig in Experimenten untersucht.

„Wir haben fast alle Voraussetzungen erfüllt, um den FFLO-Status in unserem Gerät vorzubereiten“, sagt Ye. „Aber der Staat ist sehr fragil und stark von Verunreinigungen auf der Oberfläche unseres Materials betroffen. Daher müssen wir die Experimente mit saubereren Proben wiederholen.“

Mit der suspendierten Doppelschicht aus Molybdändisulfid verfügen Ye und seine Mitarbeiter über alle Zutaten, die zur Untersuchung einiger spezieller supraleitender Zustände erforderlich sind. „Das ist wirklich grundlegende Wissenschaft, die uns konzeptionelle Veränderungen bringen könnte.“