Licht-induzierte Supraleitung unter hohem Druck

Neues aus der Forschung

Meldung vom 09.05.2018

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) am Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg haben die licht-induzierte Supraleitung im Alkali-dotierten Fullerid K3C60 unter hohem, extern angelegtem Druck untersucht. Auf der einen Seite erlaubt diese Studie, die Natur des transienten Zustandes eindeutig als supraleitende Phase zu bestimmen. Darüber hinaus enthüllt sie die Möglichkeit, Supraleitung in K3C60 bei Temperaturen weit oberhalb der zuvor hypothesierten -170°C, sogar bis hinauf zur Zimmertemperatur, zu induzieren. Das Manuskript von Cantaluppi et al. wurde in Nature Physics veröffentlicht.


180511-0649_medium.jpg
A. Cantaluppi, M. Buzzi, G. Jotzu, D. Nicoletti, M. Mitrano, D. Pontiroli, M. Riccò, A. Perucchi, P. Di Pietro & A. Cavalleri
Pressure tuning of light-induced superconductivity in K3C60
Nature Physics (2018)
DOI: 10.1038/s41567-018-0134-8

 
Licht-induzierte Supraleitung in K3C60 wurde unter hohem Druck in einer Diamant-Ambosszelle untersucht.

Im Gegensatz zu gewöhnlichen Metallen besitzen Supraleiter die einzigartige Fähigkeit, elektrischen Strom ohne jegliche Verluste zu leiten. Technologische Anwendungen sind heutzutage jedoch durch ihre tiefen Arbeitstemperaturen, die im besten Falle -70°C sein können, eingeschränkt. Wissenschaftler der Arbeitsgruppe von Professor Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg haben in der Vergangenheit mehrfach intensive Laserpulse genutzt um verschiedene Klassen von Supraleitern zu stimulieren. Unter bestimmten Bedingungen erbrachten sie dabei Beweise für Supraleitung bei ungewöhnlich hohen Temperaturen, obwohl dieser Zustand stets nur für den Bruchteil von Sekunden kurzlebig war.

Ein wichtiges Beispiel für diesen Effekt ist K3C60, ein aus schwach wechselwirkenden C60-„Fußbällen“ gebildeter organischer Molekülkristall, der im Gleichgewicht unterhalb der Sprungtemperatur von -250°C supraleitend ist. Im Jahr 2016 entdeckten Mitrano und Mitarbeiter am MPSD, dass maßgeschneiderte Laserpulse, die Schwingungen der C60-Moleküle anregen, einen kurzlebigen Zustand hoher Leitfähigkeit mit Eigenschaften gleich denen eines Supraleiters induzieren, und zwar bis hinauf zu Temperaturen von -170°C - weit oberhalb der Gleichgewichts-Sprungtemperatur.

In der jüngsten Studie gingen A. Cantaluppi und M. Buzzi am MPSD in Hamburg einen entscheidenden Schritt weiter und betrachteten den licht-induzierten Zustand in K3C60, während mechanischer Druck unter Verwendung einer Diamant-Ambosszelle angelegt wurde. Im Gleichgewicht sorgt dieser Druck für eine Reduzierung der Abstände der C60 Moleküle, wodurch der supraleitende Zustand des Kalium-dotierten Fullerids geschwächt und die kritische Temperatur deutlich gesenkt wird. „Zu verstehen, ob in K3C60 der licht-induzierte Zustand in gleicher Form reagiert wie der Gleichgewichts-Supraleiter ist ein entscheidender Schritt, um eindeutig die Natur dieses Zustandes zu bestimmen und kann neue Hinweise zum physikalischen Mechanismus hinter der licht-induzierten Hochtemperatur-Supraleitung liefern“, sagt Alice Cantaluppi.

Der licht-angeregte K3C60 Fullerid wurde systematisch untersucht, und zwar in einer Spanne vom umgebenden Normaldruck bis zu 2.5 GPa, was dem 25.000-fachen des Atmosphärendrucks entspricht. Die Autoren beobachteten eine starke Reduzierung der Photo-Leitfähigkeit mit zunehmendem Druck. Dieses Verhalten ist sehr verschieden von dem eines gewöhnlichen Metalls, aber im Einklang mit der Phänomenologie eines Supraleiters und steht daher für die erste eindeutige Interpretation des licht-induzierten Zustands in K3C60 als transiente supraleitende Phase. „Erwähnenswert“, sagt Michele Buzzi, „beobachteten wir, dass wir bei stärkerer optischer Anregung einen transienten Supraleiter auch bei Temperaturen weit oberhalb der zuvor bestimmten -170°C erreichten, sogar bis hinauf zur Zimmertemperatur.“

Eine universelle Beschreibung des physikalischen Mechanismus hinter dem Phänomen der licht-induzierten Hochtemperatur-Supraleitung in K3C60 fehlt jedoch noch, und das ultimative Ziel der Erreichung eines stabilen Zimmertemperatur-Supraleiters ist noch immer nicht an der nächsten Ecke zu finden. Nichtsdestotrotz soll der neuartige Ansatz des MPSD Teams, der die optische Anregung mit der Anwendung anderer externer Stimuli wie zum Beispiel mechanischen Drucks oder magnetischer Felder, vereint, den Weg in diese Richtung ebnen, um die Bereitstellung, die Kontrolle und das Verständnis neuer Phänomene in komplexen Materialien zu ermöglichen.

Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch den ERC Synergy Grant “Frontiers in Quantum Materials’ Control” (Q-MAC), das Hamburg Centre for Ultrafast Imaging (CUI), und das Schwerpunktprogramm SFB925 der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Die Experimente wurden in den Laboren des Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), einem Joint-Enterprise des DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg durchgeführt. Die Arbeiten erfolgten in enger Kooperation mit Wissenschaftlern der Universität Parma und der ELETTRA Synchrotron Facility, Triest, Italien.


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 17.01.2019

Wie Moleküle im Laserfeld wippen

Wenn Moleküle mit dem oszillierenden Feld eines Lasers wechselwirken, wird ein unmittelbarer, zeitabhängiger ...

Meldung vom 16.01.2019

Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedanken ...

Meldung vom 15.01.2019

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern

Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt ...

Meldung vom 14.01.2019

Vermessung von fünf Weltraum-Blitzen

Ein am PSI entwickelter Detektor namens POLAR hat vom Weltall aus Daten gesammelt. Im September 2016 war das G ...

Meldung vom 14.01.2019

Mit Satelliten den Eisverlust von Gletschern messen

Geographen der FAU untersuchen Gletscher Südamerikas so genau wie nie zuvor.

Meldung vom 14.01.2019

5000 mal schneller als ein Computer

Ein atomarer Gleichrichter für Licht erzeugt einen gerichteten elektrischen Strom. Wenn Licht in einem Halble ...

Meldung vom 14.01.2019

Isolatoren mit leitenden Rändern verstehen

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, versprechen interessante technische Anwendungen. Doch bishe ...

Meldung vom 10.01.2019

Ionenstrahlzerstäuben - Abscheidung dünner Schichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Dünne Schichten mit Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer spielen eine zentrale Rolle in vielen technolo ...

Meldung vom 10.01.2019

Wie Gletscher gleiten

Der Jülicher Physiker Bo Persson hat eine Theorie zum Gleiten von Gletschereis auf felsigem Boden vorgestellt ...

Meldung vom 08.01.2019

Neue Einblicke in die Sternenkinderstube im Orionnebel

Team unter Kölner Beteiligung zeigt: Winde eines jungen Sternes verhindern die Bildung neuer Sterne in der Na ...

Meldung vom 08.01.2019

Dissonanzen in der Quantenschwingung

Neuartige Quanteninterferenz in atomar dünnen Halbleitern entdeckt.

Meldung vom 07.01.2019

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch m ...

Meldung vom 07.01.2019

Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten ...

Meldung vom 21.12.2018

Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wi ...

Meldung vom 21.12.2018

Moleküle aus mehreren Blickwinkeln

Lasergetriebene Röntgen-Laborquellen liefern neue Einsichten - Forscher am MBI haben erfolgreich Absorptionss ...

Meldung vom 21.12.2018

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in ...



19.12.2018:
Tanz mit dem Feind
11.12.2018:
Die Kraft des Vakuums
30.11.2018:
Von der Natur lernen
24.11.2018:
Kosmische Schlange


11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!

Newsletter

Neues aus der Forschung