Seit rund fünfzehn Jahren gibt es einen globalen Forschungshype um Kagome-Materialien, deren sternförmige Struktur an ein gleichnamiges japanisches Korbgeflecht erinnert. Erst seit 2018 lassen sich auch Metalle aus dieser Materialklasse im Labor herstellen. Aufgrund ihrer besonderen Kristall-Geometrie kombinieren die Kagome-Metalle ungewöhnliche elektronische, magnetische sowie supraleitende Eigenschaften, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für künftige Quantentechnologien macht. Prof. Ronny Thomale, der am Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter forscht und den Lehrstuhl für Theoretische Physik I der Julius-Maximilians-Universität (JMU) leitet, hat mit frühen theoretischen Vorhersagen entscheidende Vorarbeiten zu dieser Werkstoffklasse geleistet. Die neusten, in Nature veröffentlichten Forschungsergebnisse wecken nun die Hoffnung, dass neuartige elektronische Bauteile möglich werden, beispielsweise supraleitende Dioden.
Kagome-Supraleiter schlägt hohe Wellen
In einem am 16. Februar 2023 veröffentlichten Preprint entwickelte das Team um Thomale die Theorie, dass sich in Kagome-Metallen eine spezielle Art von Supraleitung zeigen könnte. Bei dieser verteilen sich die Cooper-Paare wellenartig in den Untergittern des Materials. Jede „Sternzacke“ beherbergt also unterschiedlich viele Cooper-Paare. Thomales Theorie wurde jetzt in einem internationalen Experiment erstmals direkt bestätigt, was weltweit für Aufsehen sorgte. Damit wurde die bisherige Annahme widerlegt, dass es bei den Kagome-Metallen ausschließlich gleichmäßig verteilte Cooper-Paare geben könne. Cooper-Paare, benannt nach dem Physiker Leon Cooper, entstehen bei sehr tiefen Temperaturen aus jeweils zwei Elektronen und sind eine Voraussetzung für Supraleitung. Sie können im Kollektiv einen Quantenzustand bilden und sich widerstandsfrei durch den Supraleiter bewegen.
„Zunächst haben wir uns bei der Erforschung von Kagome-Metallen wie Kalium-Vanadium-Antimon (KV3Sb5) auf die Quanteneffekte der einzelnen Elektronen konzentriert, die zwar nicht supraleitend, aber auch wellenartig im Material verteilt sein können. Nachdem vor zwei Jahren mit dem Nachweis von Ladungsdichtewellen unsere erste Theorie zum außergewöhnlichen Verhalten von Elektronen auf Kagome-Gittern experimentell bestätigt wurde, haben wir uns auf die Suche nach weiteren Quanteneffekten bei ultratiefen Temperaturen begeben. So haben wir den Kagome-Supraleiter gefunden. Doch die weltweite Physik steht bei der Kagome-Forschung erst am Anfang“, erklärt Thomale.
Vererbte Wellenbewegung
„Die Quantenphysik kennt den Effekt der Paar-Dichte-Welle. Das ist eine spezielle Form eines supraleitenden Kondensats. Wenn Wasserdampf abkühlt, kondensiert er, wird also flüssig. Das hat jeder beim Kochen schon erlebt und das ist im Kagome-Metall ganz ähnlich: Bei ultratiefen Temperaturen um -193 Grad Celsius ordnen sich die Elektronen zunächst neu und verteilen sich wellenartig im Material, was seit dem Nachweis der Ladungsdichtewellen bekannt ist. Wird die Temperatur bis fast an den absoluten Nullpunkt – auf -272 Grad Celsius – reduziert, finden sich die Elektronen paarweise zusammen. Diese Cooper-Paare kondensieren zu einer Quantenflüssigkeit, die sich ebenfalls wellenartig im Material verteilt und widerstandsfreie Supraleitung möglich macht. Die Wellenform wird also vererbt“, erläutert Doktorand Hendrik Hohmann, der gemeinsam mit seinem Kollegen Matteo Dürrnagel maßgeblich an der theoretischen Arbeit beteiligt war.
Sowohl Supraleitung als auch die räumliche Verteilung von Cooper-Paaren konnten in der bisherigen Forschung zu Kagome-Metallen bereits realisiert werden. Das erstaunliche Ergebnis der neuen Forschungen ist jedoch, dass die Cooper-Paare innerhalb der atomaren Untergitter des Materials nicht nur gleichmäßig, sondern wellenförmig verteilt sein können – als „Untergitter-Modulierte-Supraleitung“ bezeichnet. „Schlussendlich gibt es unsere Paar-Dichte-Wellen in KV3Sb5, weil sich die Elektronen schon bei Temperaturen, die 80 Grad Celsius über der Supraleitung liegen, wellenartig verteilt haben. Diese Kombination von Quanteneffekten hat viel Potenzial“, ergänzt Dürrnagel.
Jetzt suchen die ct.qmat-Forschenden nach Kagome-Metallen, bei denen die Cooper-Paare räumlich moduliert sind, ohne dass vor der Supraleitung Ladungsdichtewellen entstehen. Vielversprechende Kandidaten werden bereits analysiert.
Nobelpreisgekrönter Josephson-Effekt ermöglichte Nachweis
Das Experiment, das die wellenartig im Kagome-Metall verteilten Cooper-Paare erstmals direkt nachweisen konnte, wurde von Jia-Xin Yin an der chinesischen Southern University of Science and Technology in Shenzhen entwickelt. Dafür wurde ein Rastertunnelmikroskop mit einer supraleitenden Spitze ausgestattet, die die Cooper-Paare selbst detektieren kann. Das Prinzip dieser Mikroskop-Spitze, deren Ende nur aus einem einzelnen Atom besteht, basiert auf dem nobelpreisgekrönten Josephson-Effekt. Dabei fließt ein supraleitender Strom zwischen der Mikroskop-Spitze und der Probe, sodass die Verteilung der Cooper-Paare unmittelbar gemessen werden kann.
„Die aktuellen Forschungsergebnisse sind ein weiterer Meilenstein auf dem Weg zu energieeffizienten Quantenbauelementen. Zurzeit ist das zwar noch Zukunftsmusik, weil wir die Quanteneffekte nur auf atomarem Level sehen können. Sobald die Kagome-Supraleitung aber auf makroskopischer Ebene funktioniert, werden solche supraleitenden Bauteile möglich. Das treibt unsere Grundlagenforschung an“, sagt Thomale.
Ausblick
Das bisher längste supraleitende Kabel der Welt wurde in München verlegt, an supraleitenden elektronischen Bauteilen wird jedoch noch intensiv geforscht. Erste supraleitende Dioden wurden im Labor bereits realisiert, sie sind aber auf eine Kombination von verschiedenen supraleitenden Materialien angewiesen. Die speziellen Kagome-Supraleiter hingegen, in denen die Cooper-Paare räumlich moduliert sind, wirken selber als Diode. Das macht sie attraktiv für die supraleitende Elektronik und verlustfreie Schaltungen.
Exzellenzcluster ct.qmat
Das Exzellenzcluster ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter (Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien) wird seit 2019 gemeinsam von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg und der Technischen Universität (TU) Dresden getragen. Mehr als 300 Forschende aus über 30 Ländern und von vier Kontinenten erforschen topologische Quantenmaterialien, die unter extremen Bedingungen wie ultratiefen Temperaturen, hohem Druck oder starken Magnetfeldern überraschende Phänomene offenbaren. Das Exzellenzcluster wird im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gefördert – als einziges bundeslandübergreifendes Cluster in Deutschland.
Zur Publikation
Hanbin Deng, Hailang Qin, Guowei Liu, Tianyu Yang, Ruiqing Fu, Zhongyi Zhang, Xianxin Wu, Zhiwei Wang, Youguo Shi, Jinjin Liu, Hongxiong Liu, Xiao-Yu Yan, Wei Song, Xitong Xu, Yuanyuan Zhao, Mingsheng Yi, Gang Xu, Hendrik Hohmann, Sofie Castro Holbæk, Matteo Dürrnagel, Sen Zhou, Guoqing Chang, Yugui Yao, Qianghua Wang, Zurab Guguchia, Titus Neupert, Ronny Thomale, Mark H. Fischer & Jia-Xin Yin, Nature 632, 775–781 (2024). Chiral kagome superconductivity modulations with residual Fermi arcs in KV3Sb5 and CsV3Sb5. DOI
Tilman Schwemmer, Hendrik Hohmann, Matteo Dürrnagel, Janik Potten, Jacob Beyer, Stephan Rachel, Yi-Ming Wu, Srinivas Raghu, Tobias Müller, Werner Hanke, and Ronny Thomale, arXiv:2302.08517 (2023). Sublattice modulated superconductivity in the kagome Hubbard model. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2302.08517
Tilman Schwemmer, Hendrik Hohmann, Matteo Dürrnagel, Janik Potten, Jacob Beyer, Stephan Rachel, Yi-Ming Wu, Srinivas Raghu, Tobias Müller, Werner Hanke, and Ronny Thomale, Phys. Rev. B 110, 024501 (2024). Sublattice modulated superconductivity in the kagome Hubbard model. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.110.024501
Kontakt
Prof. Ronny Thomale, Lehrstuhl für Theoretische Physik I, Tel: +49 931 31-86225, rthomale@physik.uni-wuerzburg.de