08.05.2020

Lupenblick auf Hochtemperatur-Supraleiter

Higgs-Spektroskopie zeigt die Dynamik gekoppelter Elektronen in Supraleitern.

Von einer nachhaltigen Energie­versorgung bis hin zu Quanten­computern: Hoch­temperatur-Supraleiter könnten unsere heutige Technik revolutionieren. Trotz intensiver Forschung fehlt jedoch noch immer das grundlegende Verständnis, um die komplexen Materialien für die breite Anwendung weiterzu­entwickeln. Die Higgs-Spektro­skopie – angewandt von einer inter­nationalen Forschergruppe um das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR und das Max-Planck-Institut für Festkörper­forschung MPI-FKF – könnte eine Wende bringen: Sie erlaubt, die Dynamik der gekoppelten Elektronen in Supra­leitern nach­zuweisen.

Abb.: Higgs-Spektro­skopie: Mit Hilfe eines starken Terahertz-Pulses werden in...
Abb.: Higgs-Spektro­skopie: Mit Hilfe eines starken Terahertz-Pulses werden in einem Supra­leiter Higgs-Schwingungen angeregt und aufrecht­erhalten. Im Resonanz­fall entsteht Terahertz-Strahlung mit verdrei­fachter Frequenz. (Bild: Juniks, HZDR)

„Wir haben mit der Higgs-Spektro­skopie jetzt eine ganz neue Art von Lupe, mit der wir in die physikalischen Abläufe hineinsehen können“, sagt Jan-Christoph Deinert. Der Forscher vom HZDR-Institut für Strahlen­physik arbeitet gemeinsam mit Kollegen des MPI-FKF, der Univer­sitäten Stuttgart und Tokyo sowie weiterer inter­nationaler Forschungs­einrichtungen an der neuen Methode. Die Wissen­schaftler wollen vor allem verstehen, wie Elektronen in Hoch­temperatur-Supraleitern Kopplungen eingehen. Denn für die Supra­leitung verbinden sich Elektronen zu Cooper-Paaren. Mit diesem Trick können sie sich paarweise ohne weitere Wechsel­wirkung mit ihrer Umgebung durch das Material bewegen.

Doch was verbindet zwei Elektronen, die sich aufgrund ihrer Ladung eigentlich abstoßen? Für konven­tionelle Supraleiter hat die Physik eine Erklärung: „Die Elektronen koppeln mit Hilfe von Kristall­schwingungen“, erläutert Stefan Kaiser, der am MPI-FKF und der Universität Stuttgart zur Dynamik in Supraleitern forscht. Ein Elektron verzerrt das Kristall­gitter, das dann das zweite Elektron anzieht. Für die Kuprate ist der Mechanismus, der anstelle der Gitter­schwingungen wirkt, bisher unklar. „Eine Hypothese ist die Kopplung durch fluktuierende Spins, also durch magnetische Wechsel­wirkung“, erläutert Kaiser. „Die wichtige Frage ist jedoch: Lässt sich deren Einfluss auf die Supra­leitung und insbesondere auf die Eigen­schaften der gekoppelten Cooper-Paare direkt messen?“

Hier kommen die Higgs-Schwingungen ins Spiel: In der Hoch­energiephysik erklären sie, wieso Elementar­teilchen eine Masse haben. Sie kommen jedoch auch in Supraleitern vor, in denen sie durch starke Laserpulse angeregt werden können. Dabei entsprechen sie Schwingungen des Ordnungs­parameters – dem Maß dafür, wie weit sich ein Material bereits im supraleitenden Zustand befindet – wie hoch also praktisch die Dichte der Cooper-Paare ist. Soweit die Theorie. Ein erster experimenteller Nachweis gelang vor wenigen Jahren. Mithilfe eines ultra­kurzen Licht­pulses regten Forscher der Universität Tokyo konventionelle Supraleiter zu Higgs-Schwingungen an – als würde man ein Pendel anstoßen. Für Hoch­temperatur-Supraleiter genügt solch ein einmaliger Impuls jedoch nicht. Wechsel­wirkungen der supra­leitenden und nicht-supra­leitenden Elektronen und die komplizierte Symmetrie des Ordnungs­parameters dämpfen das System zu stark.

Mit der Higgs-Spektroskopie erzielte das Forscher­konsortium nun den experi­mentellen Durchbruch für Hoch­temperatur-Supraleiter. Der Trick: Sie nutzen einen multi­zyklischen, extrem starken Terahertzpuls, der optimal auf die Higgs-Schwingung abgestimmt ist und diese trotz Dämpfung aufrecht­erhalten kann – das gedachte Pendel wird kontinuierlich angetrieben. Mit der hochleistungs­fähigen Terahertz-Lichtquelle Telbe können die Forscher 100.000 dieser Pulse pro Sekunde durch die Proben schicken. „Die Intensität des Lichts im Terahertz-Bereich und die hohe Wiederhol­rate der Pulse machen unsere Quelle weltweit einzigartig“, erläutert Deinert. „Wir können die Higgs-Schwingungen jetzt gezielt antreiben und sehr präzise vermessen.“

Der Erfolg fußt auf der engen Zusammen­arbeit von Theoretikern und Experi­mentatoren. Die Idee entstand am MPI-FKF. Umgesetzt wurde das Experiment vom TELBE-Team um Jan-Christoph Deinert und Sergey Kovalev am HZDR unter der damaligen Leitung von Michael Gensch, der mittlerweile am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt sowie an der TU Berlin forscht: „Die Versuche haben insbe­sondere auch eine große generelle Bedeutung für die wissen­schaftliche Anwendung von Groß­forschungs­anlagen. Sie demonstrieren, dass eine komplexe Reihen­untersuchung mittels nichtlinearer Terahertz-Spektro­skopie an einer kompli­zierten Probenserie, wie den Kupraten, an einer Hoch­leistungs-Terahertz-Quelle wie Telbe erfolgreich und effizient durchgeführt werden kann.“ Deswegen erwartet das Forscherteam auch in Zukunft eine große Nachfrage: „Die Higgs-Spektro­skopie als methodischer Ansatz eröffnet völlig neue Potentiale“, erklärt Hao Chu. „Sie ist der Startpunkt zu einer Reihe von Versuchen, die neue Einblicke in Materialien liefern. Man kann jetzt sehr syste­matisch herangehen.“

Über mehrere Messreihen belegten die Forscher zunächst für typische Vertreter der Kuprate, dass ihre Methode funktioniert. Unterhalb der kritischen Temperatur konnten sie nicht nur die Higgs-Schwingungen antreiben. Das Forscherteam wies außerdem nach, dass eine neue, bisher nicht beobachtete Anregung mit den Higgs-Schwingungen der Cooper-Paare interagiert. Ob es sich dabei um magnetische Wechsel­wirkungen handelt, wie in Fachkreisen heiß diskutiert wird, müssen weitere Experimente zeigen. Oberhalb der kritischen Temperatur sahen die Forscher Indizien, dass sich auch hier Cooper-Paare bilden können, ohne jedoch zusammen zu schwingen. Auch andere Messmethoden haben die Möglichkeit einer solch frühzeitigen Paarbildung bereits nahegelegt. Die Higgs-Spektro­skopie könnte diese Hypothese unter­mauern. Sie könnte klären, wann und wie die Paare sich bilden, und was sie zum gemeinsamen Schwingen im Supraleiter bringt.

HZDR / JOL

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