Die Hochtemperatur-Supraleitung könnte dank der Arbeit eines internationalen Physikerteams einen Schritt näher kommen. Durch die Untersuchung räumlicher Korrelationen von Kaliumatomen bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt könnten die Beobachtungen des Teams helfen, die idealen Bedingungen zu identifizieren, die erforderlich sind, um Supraleitung zu induzieren.
[Bildquelle: MIT - Sampson Wilcox]
Supraleitung: die nahezu perfekt effiziente Möglichkeit, Elektrizität in einem Material durch Eliminierung von Energieverlusten zu leiten. Diese unglaubliche Eigenschaft bestimmter Materialien ist derzeit nur unter bestimmten, extrem niedrigen Temperaturen möglich. Wenn Supraleitung in einem Raum induziert werden könnteTemperatur wäre der Einfluss auf die möglichen Wirkungsgrade für elektrische Energie außerordentlich, aber das Verständnis, wie Supraleitung auftritt, wird durch unsere Fähigkeit, das Phänomen zu visualisieren, behindert.
Vor diesem Hintergrund haben Forscher des MIT ein 'Quantensimulator', Verwendung von Atomen, um das Verhalten von Elektronen in einem supraleitenden Festkörper zu modellieren.
TeamleiterProfessor Martin Zwierlein, MIT, berichtet an MIT-Nachrichten: 'Aus diesem Atommodell lernen wir, was wirklich in diesen Supraleitern vor sich geht und was man tun sollte, um Supraleiter mit höheren Temperaturen herzustellen, die sich hoffentlich Raumtemperatur nähern.'
Das Atommodell des Teams basiert auf dem Fermi-Hubbard-Modell wechselwirkender Atome, einer Theorie, die häufig verwendet wird, um die grundlegenden Prinzipien der Supraleitung zu erklären. Bisher konnten Forscher mit diesem Modell nur das Verhalten schwach wechselwirkender supraleitender Elektronen vorhersagen.Professor Zwierlein erklärte :
'Das ist ein wichtiger Grund, warum wir Hochtemperatur-Supraleiter nicht verstehen, bei denen die Elektronen sehr stark wechselwirken. Es gibt keinen klassischen Computer der Welt, der berechnen kann, was bei sehr niedrigen Temperaturen mit wechselwirkenden [Elektronen] passiertAuch räumliche Korrelationen wurden in situ noch nie beobachtet, weil niemand ein Mikroskop hat, um jedes einzelne Elektron zu betrachten.'
Indem die untersuchten Kaliumatome auf wenige Nanokelvin abgekühlt und in einem lasergenerierten Gitter gefangen wurden, das eine zweidimensionale Ebene erzeugte, konnten die Forscher die Positionen und Wechselwirkungen einzelner Atome beobachten. Das Verhalten der beobachteten Atome variierteabhängig von der Dichte des Gases an jeder Position.
In den Regionen mit niedrigerer Dichte - zum Rand des Gitters - wurden die Atome 'asozial'. Dies stimmt mit dem Verhalten von Elektronen überein, das vom berühmten Physiker des 20. Jahrhunderts Wolfgang Pauli theoretisiert wurde, dessen sogenannte 'Pauli-Löcher' die Tendenz von Elektronen beschreiben describezueinen bestimmten Bereich des persönlichen Raums beibehalten. 'Sie schaffen sich einen kleinen Raum, in dem es sehr unwahrscheinlich ist, einen zweiten Mann in diesem Raum zu finden', sagte Zwierlein.
Das wirklich interessante Verhalten trat in Regionen höherer Dichte auf. Die beobachteten Atome ließen sich nicht nur zusammenballen, sie zeigten auch wechselnde magnetische Ausrichtungen. Zwierlein erklärte: 'Das sind schöne, antiferromagnetische Korrelationen, mit einem Schachbrettmuster - oben, unten, oben, unten.'
Er fuhr fort, die ungewöhnliche Tendenz dieser Atome zu beschreiben 'übereinander hüpfen', was zu einem Raum neben einem gebündelten Atompaar führt. Die Ähnlichkeit zwischen diesem Verhalten und dem für die - noch theoretische - Hochtemperatur-Supraleitung erforderlichen Verhalten ist stark. Theoretisch kann Supraleitung bei Raumtemperatur durch die reibungslose Bewegung von . induziert werdenElektronenpaare zwischen entsprechend großen Zwischenräumen in einem Gitter. Zwierlein beschrieb es wie folgt:
'Für uns treten diese Effekte bei Nanokelvin auf, weil wir mit verdünnten atomaren Gasen arbeiten. Wenn Sie ein dichtes Stück Materie haben, können dieselben Effekte auch bei Raumtemperatur auftreten.'
Lesen Sie die Ergebnisse des Teams in ihrer Wissenschaft Zeitschriftenpapier.
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Über: MIT
Geschrieben von Jody Binns