Wie genau entsteht unkonventionelle Supraleitung?

Moiré-Materialien bestehen aus atomar dünnen Kristallen, die leicht gegeneinander verdreht gestapelt sind. Diese winzigen Verdrehungen verändern das Verhalten der Elektronen grundlegend: ihre Beweglichkeit wird stark eingeschränkt, während ihre gegenseitigen Wechselwirkungen dominieren. Dadurch entstehen neuartige Quantenzustände wie korrelierte Isolatoren, Magnetismus – und unkonventionelle Supraleitung. Bislang war jedoch unklar, wie genau sich Supraleitung aus solchen stark korrelierten Ausgangszuständen entwickelt. Die Beantwortung dieser Frage ist entscheidend für das Verständnis unkonventioneller Supraleiter, einschließlich Hochtemperatur-Supraleiter.

Illustration der Ent­ste­hung von Su­pra­lei­tung aus einem vor­ge­ord­ne­ten kor­re­lier­ten Zu­stand mit spon­ta­ner Sym­me­trie­bre­chung

Quelle: Lorenzo Crippa, AG Wehling, U Hamburg

Für die jetzt veröffentlichte Studie kombinierten die Forschenden hochauflösende Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie mit einer umfassenden theoretischen Modellierung, um verdrehte Graphen-Systeme zu untersuchen. Diese Systeme eignen sich besonders gut, da sie eine beispiellose experimentelle Kontrolle über Wechselwirkungen, Symmetrieeigenschaften und Füllung bieten. Zu der theoretischen Analyse trug die Arbeitsgruppe von Prof. Tim Wehling am Fachbereich Physik der Universität Hamburg maßgeblich bei. Die theoretischen Analysen wurden im Rahmen des Exzellenzclusters „CUI: Advanced Imaging of Matter“ und in enger Zusammenarbeit mit internationalen Partnern durchgeführt, insbesondere mit Kolleginnen und Kollegen aus Princeton, Würzburg und Frankfurt, eingebettet in die DFG-Forschungsgruppe QUAST.

Das Team stellte sich zwei zentrale Fragen: Erstens, was ist der Ausgangs- (Normal-)Zustand, aus dem die Supraleitung in verdrillten Graphen-Moiré-Systemen entsteht? Zweitens, wie hängen die elektronischen Korrelationen und die Symmetriebrechung im Normalzustand mit der späteren Supraleitung zusammen? Beide Fragen sind fundamental, da die Beschaffenheit des Ausgangszustands den Paarungsmechanismus der Elektronen maßgeblich einschränken kann und somit von zentraler Bedeutung für die stark korrelierte Supraleitung im Allgemeinen ist.

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Mit Supraleitung und Spin

In ihrer Arbeit identifizierten die Forschenden nun den Ausgangszustand, aus dem die Supraleitung in verdrillten Graphen-Moiré-Systemen hervorgeht. „Wir haben herausgefunden, dass Supraleitung nicht aus einem einfachen metallischen Zustand entsteht, sondern aus einem vorgeordneten korrelierten Zustand mit spontaner Symmetriebrechung. Besonders faszinierend war für uns die Entdeckung einer spiralförmigen Ordnung des elektronischen „Valley“-Freiheitsgrades“, sagt Tim Wehling vom Fachbereich Physik der Universität Hamburg, der auch im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ forscht.

Die Studie zeigte mehrere Energielücken sowie deren Abhängigkeit von Temperatur und Magnetfeld. „Wir haben somit eine direkte mikroskopische Verbindung zwischen der normalen korrelierten Phase und der entstehenden Supraleitung gefunden. Das zeigt, wie wichtig der Normalzustand für das Verständnis der unkonventionellen Supraleitung ist“, so Wehling.

Die Arbeit liefert ein neues Verständnis dafür, wie unkonventionelle – und möglicherweise auch Hochtemperatur-Supraleitung – entsteht. Ihre Konzepte sind auf andere Materialsysteme übertragbar und könnten langfristig helfen, gezielt neue Quantenmaterialien und Supraleiter für zukünftige Quantentechnologien zu entwickeln. [U Hamburg / dre]