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Forschung an Supraleitern – Den Energiefluss per Laser verfolgen

20.12.2016

Unterhalb einer bestimmten Temperatur leiten sie den elektrischen Strom widerstandslos und damit extrem effizient: Bisher weiß man nur, dass Hochtemperatur-Supraleiter funktionieren – aber nicht, wie. Physikern der Universität Duisburg-Essen (UDE) ist es gelungen, den Energiefluss im Material nachzuverfolgen. Dafür nutzten sie ein Werkzeug, das selbst schnell genug ist, um diese Prozesse zu erfassen: Licht. Das Fachmagazin „Nature Communications“ veröffentlichte ihre Ergebnisse soeben.

Ein Supraleiterkabel verbindet seit 2014 zwei Umspannwerke im Zentrum der Stadt Essen. Es ist das weltweit längste, so der Energieversorger. Auf einem Kilometer ersetzt es in einem Pilotprojekt die konventionelle Erdleitung und benötigt nur etwa ein Zehntel der Spannung, um eine fünfmal so hohe Strommenge zu transportieren.


Im Versuchsaufbau erscheinen die zwei Laserstrahlen durchgehend, weil sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen – tatsächlich sind es aber wenige Billiardstel einer Sekunde lange Lichtpulse. Mit dem roten Laser wird die Probe angeregt, abgefragt wird mit UV-Licht. Da Letzteres für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, wird es im Foto durch den grünen Strahl ersetzt.

Fotonachweis: AG Bovensiepen, UDE

„Uns reicht es aber nicht zu wissen, dass es funktioniert“, erklärt Prof. Dr. Uwe Bovensiepen, Sprecher des Sonderforschungsbereichs Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne und Mitglied im Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE). „Wir Physiker möchten solche komplexen Materialien verstehen.“

Dazu bedienen sich die Wissenschaftler seiner Arbeitsgruppe der sogenannten Laser-Stroboskoptechnik: Mit unvorstellbar kurzen Lichtpulsen von nur wenigen Billiardsteln einer Sekunde regen sie das Material an und fragen das Ergebnis mit leicht verzögert abgegebenen Laserpulsen ab.

„Das ist in etwa so, als wenn man einen Stein ins Wasser wirft und anschließend die Wellen beobachtet“, verdeutlicht Bovensiepen. Dadurch machen sie den Energiefluss sichtbar wie in einem Film, der aus lauter eingefrorenen Einzelbildern besteht – von der Anregung bis zurück zu dem Moment, in dem der Ausgangszustand wieder erreicht ist.

Dabei wurde erstmals eine besondere Wechselwirkung bemerkt, bei der angeregte Elektronen und die Atome in der gleichen Frequenz miteinander schwingen – wie eine Stimmgabel, die einen einzigen reinen Ton erklingen lässt. Noch ist nicht bekannt, welchen Einfluss dieser Zustand auf die elektrischen Eigenschaften des Supraleiters hat, aber „irgendetwas Besonderes ist da dran.“ Was das ist, wollen sie im nächsten Schritt herausfinden.

Die Veröffentlichung entstand zusammen mit Kollegen aus den USA (New York, Raleigh und Washington D.C.), aus Japan (Tsukuba) sowie aus Hamburg.


Originalpublikation: J. D. Rameau, S. Freutel, A. F. Kemper, M. A. Sentef, J. K. Freericks, I. Avigo, M. Ligges, L. Rettig, Y. Yoshida, H. Eisaki, J. Schneeloch, R. D. Zhong, Z. J. Xu, G. D. Gu, P. D. Johnson, and U. Bovensiepen, "Energy Dissipation from a Correlated System Driven Out of Equilibrium," Nature Communications (2016)

DOI: 10.1038/NCOMMS13761

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Uwe Bovensiepen, Experimentalphysik, Tel. 0203/379-4566, uwe.bovensiepen@uni-due.de

Redaktion: Birte Vierjahn, Tel. 0203/ 379-8176, birte.vierjahn@uni-due.de

Katrin Koster | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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