Supraleitung mit “Zeitgeist” – Wenn Materialien Vergangenheit und Zukunft unterscheiden können

Magnetfelder im Inneren eines Supraleiters ohne Zeitumkehr-Symmetrie. Rote und blaue Pfeile zeigen die zeigen die Richtung und Stärke des Magnetfeldes. © Hans-Henning Klauss

Was gestern war und was morgen sein wird, sind im Leben eines Menschen zwei unterschiedliche und größtenteils auch unabhängige Ereignisse. Vergangenheit und Zukunft des menschlichen Lebens verlaufen nicht symmetrisch und sind daher nicht umkehrbar.

Anders verhält es sich in der Physik. Die fundamentalen Kräfte der Natur in Elementarteilchen, Atomen und Molekülen sind symmetrisch hinsichtlich ihre zeitlichen Entwicklung: vorwärts oder rückwärts macht keinen Unterschied, es handelt sich dabei um die sogenannte Zeitumkehr-Symmetrie.

Diese Symmetrie galt lange auch für Supraleiter. Supraleiter sind eine Materialklasse, die bei tiefen Temperaturen verlustfrei elektrische Ströme leiten.

Sie können sehr effizient starke Magnetfelder erzeugen und werden daher zum Beispiel in Magnetresonanztomographen (MRT) beim Radiologen eingesetzt.

Etwa 99% aller bisher bekannten supraleitenden Materialien sind zeitumkehr-symmetrisch. Seit einigen Jahren jedoch entdecken Physikerteams neue Supraleiter, die sich nicht zeitumkehr-symmetrisch verhalten.

Um diese Beobachtung erklären zu können, musste der seit über 75 Jahren bekannte Mechanismus der Supraleitung in wichtigen Teilen neu durchdacht werden. Die neuartigen Supraleiter können spontan zeitlich stabile Magnetfelder in ihrem Inneren aufbauen, die sie für Anwendungen in Quanten-Computern interessant machen.

Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Dr. Vadim Grinenko und Prof. Hans-Henning Klauss von der TU Dresden entdeckte nun erstmals diesen neuartigen magnetischen Zustand mit verletzter Zeitumkehr-Symmetrie in der Materialklasse der eisenbasierten Supraleiter.

Diese Materialen erweisen sich als vielseitige intermetallische Verbindungen, die technologisch vergleichsweise einfach herzustellen sind und deshalb ein hohes Anwendungspotenzial haben.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die vor zwölf Jahren entdeckten eisenbasierten Supraleiter weiterhin neue Impulse für die Grundlagenforschung und ein hohes Anwendungspotential liefern“, erläutert Prof. Hans-Henning Klaus.

Hans-Henning Klauss
Professor für Festkörperphysik / Elektronische Eigenschaften
Email: henning.klauss@tu-dresden.de

Dr. Vadim Grinenko
Institut für Festkörper- und Materialphysik
Email: v.grinenko@ifw-dresden.de

V. Grinenko , R. Sarkar, K. Kihou, C. H. Lee, I. Morozov, S. Aswartham, B. Büchner, P. Chekhonin, W. Skrotzki, K. Nenkov, R. Hühne, K. Nielsch, S. -L. Drechsler, V. L. Vadimov, M. A. Silaev, P. A. Volkov, I. Eremin, H. Luetkens, and H.-H. Klauss, ‘Superconductivity with broken time-reversal symmetry inside a superconducting s-wave state’ Nature Physics, 10.1038/s41567-020-0886-9. URL: https://www.nature.com/articles/s41567-020-0886-9

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