Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Supraleitung mit Magnetfeld eingeschaltet

23.12.2013
Meist sieht man Supraleitung und Magnetfelder als Konkurrenten – sehr starke Magnetfelder zerstören in der Regel den supraleitenden Zustand.

Physiker des Paul Scherrer Instituts PSI haben nun gezeigt, dass in dem Material CeCoIn5 ein neuartiger supraleitender Zustand erst bei starken externen Magnetfeldern entsteht und dann durch Veränderung des Feldes manipuliert werden kann.


Michel Kenzelmann stellt die Gaszufuhr an einem Hochfeld-Magneten ein, der für die Experimente an CeCoIn5 an der Neutronenquelle SINQ gebraucht worden ist.

Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer


Simon Gerber, Erstautor der Veröffentlichung zu den Supraleitenden Eigenschaften von CeCoIn5, am Morpheus-Instrument der Spallations-Neutronenquelle SINQ.

Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer

Das Material ist auch schon bei schwächeren Feldern supraleitend, bei starken Feldern entsteht aber ein zusätzlicher zweiter supraleitender Zustand, so dass gleichzeitig im selben Material zwei unterschiedliche supraleitende Zustände existieren.

Das Material CeCoIn5 ist bei sehr niedrigen Temperaturen supraleitend. Bei sehr starken Magnetfeldern wird die Supraleitung wie erwartet zerstört (bei diesem Material oberhalb von 12 Tesla). Forschende des Paul Scherrer Instituts haben nun gezeigt, dass bevor dies geschieht, bei starken Magnetfeldern ein neuer exotischer Zustand des Materials entsteht.

Bei diesem wird zusätzlich zur Supraleitung eine antiferromagnetische Ordnung beobachtet, d.h. die magnetischen Momente (die „Elementarmagnete“) im Material weisen in einer regelmässigen Weise teilweise in eine Richtung und teilweise in die entgegengesetzte. Symmetriebetrachtungen führen dabei zu dem Schluss, dass mit dieser magnetischen Ordnung ein neuartiger Quantenzustand verbunden sein muss, der jedoch nicht unmittelbar beobachtet werden konnte.

Zwei Arten Supraleitung gleichzeitig

Die PSI-Forscher haben die Eigenschaften dieser antiferromagnetischen Ordnung untersucht und geschlossen, dass dieser neuartige Quantenzustand aus einem zweiten, unabhängigen supraleitenden Zustand besteht. Supraleitung entsteht, wenn sich Elektronen in einem Material paarweise zu so genannten Cooper-Paaren zusammenfinden, die sich ungehindert durch das Material bewegen können. Aus der Perspektive der Cooper-Paare gibt es verschiedene Arten von Supraleitung, die sich insbesondere in den Symmetrieeigenschaften der Bewegung der Cooper-Paare unterscheiden. In dem hier untersuchten Material kommt zusätzlich zum schon vorhandenen supraleitenden Zustand noch ein zweiter hinzu. In Fachbegriffen ausgedrückt, hat man zunächst eine d-Wellen-Supraleitung, zu der in dem exotischen Zustand eine p-Wellen-Supraleitung hinzukommt.

Mit Neutronen nachgewiesen

Die antiferromagnetische Ordnung in dem Material ist durch Neutronenexperimente an der Neutronenquelle SINQ des PSI und am Institut Laue Langevin in Grenoble nachgewiesen worden. In solchen Experimenten schickt man einen Neutronenstrahl durch das untersuchte Material und beobachtet, in welche Richtungen besonders viele Neutronen abgelenkt werden. Daraus kann man dann auf regelmässige Strukturen im Inneren des Materials schliessen. In diesem Fall tauchte für hohe Magnetfelder eine weitere Richtung auf, in die viele Neutronen abgelenkt wurden, die der antiferromagnetischen Ordnung. Genau genommen hat man eine Spindichtewelle beobachtet. Das heisst, wenn man sich in eine bestimmte Richtung durch das Material bewegt, weisen die magnetischen Momente erst in eine Richtung, werden grösser, nehmen dann wieder ab, weisen dann in die entgegensetzte Richtung, werden da wieder grösser und nehmen wieder ab. Zeichnet man die Momente als Pfeile auf, lassen sich ihre Spitzen durch eine Wellenlinie verbinden.

Die Spindichtewellen können in diesem Material nur in zwei zueinander senkrechten Richtungen verlaufen, also in zwei verschiedenen Domänen auftreten. In welche Richtung die Spindichtewelle verläuft hängt von der Richtung des angelegten externen Magnetfelds ab. Ändert man die Richtung des Magnetfelds ändert sich für eine bestimmte Richtung abrupt auch die Verlaufsrichtung der Spindichtewelle. Um diesen Effekt nachzuweisen, haben die Forschenden einen speziellen Probenhalter gebaut, mit dem sich die Probe zwischen den Messungen um sehr kleine Winkel verkippen liess.

Quantenzustand gesteuert

„Das beobachtete Verhalten des Materials war total unerwartet, und kann nicht ein rein magnetischer Effekt sein“, erklärt Michel Kenzelmann, Leiter des Forschungsteams am PSI. „Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass in dem Material gemeinsam mit der Spindichtewelle auch der neue supraleitende Zustand entsteht, wie dies von Symmetriebetrachtungen auch erwartet wird.“ Das Besondere an diesem Zustand ist, dass er sehr eng mit der magnetischen Ordnung zusammenhängt: wo die magnetischen Momente der magnetischen Ordnung stark sind, ist auch die p-Wellen-Supraleitung besonders präsent, so dass beide stärker werden, wenn man das äussere Magnetfeld stärker macht. Man kann also mit einem externen Magnetfeld direkt den Quantenzustand steuern, der mit der Supraleitung verbunden ist. Die Möglichkeit, Quantenzustände direkt zu steuern ist für mögliche zukünftige Quantencomputer wichtig. „Auch wenn wegen der tiefen Temperaturen und starken Magnetfelder, die hier nötig sind, dieses konkrete Material wohl kaum zum Einsatz kommen wird, zeigen unsere Experimente, wie eine solche Steuerung grundsätzlich aussehen kann“, fügt Simon Gerber, Erstautor der Publikation, hinzu.

Text: Paul Piwnicki

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1500 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.
Kontakt:
Dr. Michel Kenzelmann, Labor für Entwicklung und Methoden, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz

Telefon: +41 (0)56 310 5381 E-Mail: michel.kenzelmann@psi.ch

Originalveröffentlichung:
Switching of magnetic domains reveals spatially inhomogeneous superconductivity
Simon Gerber, Marek Bartkowiak, Jorge L. Gavilano, Eric Ressouche, Nikola
Egetenmeyer, Christof Niedermayer, Andrea D. Bianchi, Roman Movshovich, Eric D.
Bauer, Joe D. Thompson and Michel Kenzelmann
Nature Physics Advance Online Publication (AOP) 22. Dezember 2013;
doi: 10.1038/nphys2833; http://dx.doi.org/10.1038/nphys2833

Dagmar Baroke | idw
Weitere Informationen:
http://psi.ch/WY1e
http://www.psi.ch/ldm

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala
20.04.2018 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Licht macht Ionen Beine
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics