Auf dem Weg zu einer neuen Art der Supraleitung: In den vergangenen vier Jahren haben Wissenschaftler Metalle entdeckt, deren Kristallstruktur der eines traditionellen japanischen Bambusgeflechts nachempfunden ist: Kagome-Metalle. Die internationale Forschungstätigkeit in dieser neuen Richtung von Quantenmaterialien hat kürzlich einen neuen Höhepunkt erreicht: Ein internationales Team von Physikern hat entdeckt, dass die zugrunde liegende Struktur des Kagome-Netzwerks das gleichzeitige Auftreten komplexer Quantenphänomene induziert, die zu einer noch nie dagewesenen Art von Supraleitung.
Atome bilden ein Kagome-Muster
Ein Kagome-Muster besteht aus drei versetzten regelmäßigen dreieckigen Gittern. Infolgedessen ist das Kagome-Netzwerk ein regelmäßiges Muster, das aus Davidsternen besteht. Es ist ein weit verbreitetes japanisches Korbmuster, daher der Name. In der Physik der kondensierten Materie erregten Materialien, die in einem Kagome-Gitter kristallisieren, erstmals Anfang der 90er Jahre Aufmerksamkeit.Bis 2018, als FeSn als erstes Kagome-Metall entdeckt wurde, waren die korrelierten elektronischen Zustände in Kagome-Materialien im Allgemeinen darauf ausgelegt, generisch isolierend zu sein, und lösten die Mainstream-Forschung aus in magnetische Frustrationen. Dass auch Kagome-Metalle faszinierende Quanteneffekte hervorrufen könnten, hatte Ronny Thomale, wissenschaftliches Mitglied des Würzburg-Dresdener Exzellenzclusters ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter, bereits 2012 vorhergesagt.
„Seit ihrer experimentellen Entdeckung haben Kagome-Metalle eine enorme Forschungsaktivität ausgelöst. In allen engagierten Forschungsgruppen auf der ganzen Welt begann die Forschung nach Kagome-Metallen mit exotischen Eigenschaften zu suchen. Neben anderen Ambitionen besteht die Hoffnung darin, ein neues zu verwirklichen Art Supraleiter“, sagt Thomale, Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Festkörperphysik an der Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU.
Beunruhigende Ergebnisse
Ein Forschungsteam unter der Leitung des Paul Scherrer Instituts (Schweiz) hat gerade eine neue Entdeckung in Kagome-Metallen gemacht. In Verbindung KV3Sb5 beobachteten sie das gleichzeitige Auftreten mehrerer komplexer Quantenphänomene, was zu einer supraleitenden Phase mit gebrochener Zeitinversionssymmetrie führte.
„Jedes Mal, wenn es einen Hinweis darauf gibt, dass die Zeitumkehr-Symmetrie in einem nichtmagnetischen Material bricht, muss dahinter ein exotischer neuer Mechanismus stecken“, sagt Thomale. „Nur ein kleinerer Bruchteil der bekannten Supraleiter würde zwischen zeitlich ‚vorwärts‘ und ‚rückwärts‘ unterscheiden. Besonders erstaunlich ist die relativ hohe Temperatur weit über der supraleitenden Übergangstemperatur, bei der die experimentell nachgewiesene Signatur der Zeitumkehr-Symmetrie bricht.“ setzt für KV ein3jdn5. Dies hat seinen Ursprung in der Elektronenladungsdichtewelle als vermeintlichem Grundzustand des Supraleiters, wo die Zeitumkehrsymmetrie bereits durch Bahnströme gebrochen werden kann. Ihr Auftreten ist eng mit Kagome-Gittereffekten auf die Elektronendichte von Zuständen verbunden. Sobald es Strömungen gibt, bekommen Zeitvorwärts und -rückwärts eine prägnante und eindeutige Bedeutung, dh die Zeitrichtung wird relevant. Es ist eine zentrale Facette, die der enormen Faszination der Community für Kagome-Metalle zugrunde liegt.“
Der erwartete Aufstieg eines neuen Forschungsfeldes
Nach der Entdeckung magnetischer Kagome-Metalle im Jahr 2018 wurde 2020 erstmals ein nicht-magnetisches Kagome-Metall entdeckt, das sowohl Ladungsdichte-Wellenordnung als auch Supraleitung aufweist neuer Durchbruch. für Kagome-Metalle. Insbesondere liefern diese Ergebnisse experimentelle Beweise dafür, dass eine beispiellose Art von unkonventioneller Supraleitung im Spiel sein könnte.
„Der Nachweis dieser neuartigen Supraleitung in Kagome-Metallen wird den weltweiten Forschungsboom der Quantenphysik weiter befeuern“, kommentiert Matthias Vojta, Dresdner Sprecher des Forschungsverbundes ct.qmat. „Der Würzburg-Dresdener Exzellenzcluster ct.qmat ist eines der weltweit führenden Forschungszentren für Quantenmaterialien und bestens gerüstet, um Kagome-Metalle mit einer Fülle verschiedener experimenteller und theoretischer Techniken zu untersuchen. Wir sind besonders stolz darauf, dass unser Mitglied Ronny Thomale Arbeiten beigesteuert hat in dieser Gegend.“
Professor Ronny Thomale (39) ist seit Oktober 2016 Inhaber des JMU-Lehrstuhls für Theoretische Physik I und eines der 25 Gründungsmitglieder des Kompetenzzentrums ct.qmat. 2012 entwickelte er – parallel mit der Forschungsgruppe von Qianghua Wang von der Nanjing University – eine Theorie, die als entscheidende Grundlage für das Verständnis der neuen experimentellen Ergebnisse zu Kagome-Metallen gilt.
Ausblick
Durch die Demonstration der Zeitumkehr-Symmetriebrechung besteht die Hoffnung, dieses neue Prinzip der Supraleitung, das möglicherweise in Kagome-Metallen gefunden wird, auf das technologisch interessante Gebiet der Hochtemperatur-Supraleiter für den dissipationslosen Wärmetransport zu übertragen. Jüngste Entdeckungen in Kagome-Metallen werden Forscher auf der ganzen Welt dazu inspirieren, sich diese neue Klasse von Quantenmaterialien genauer anzusehen. Trotz aller Aufregung fehlt noch die technisch schwierige direkte Messung von Bahnströmen in Kagome-Metallen. Wenn dies gelingt, wäre dies ein weiterer Schritt zu einem tieferen Verständnis dafür, wie sich Elektronen auf dem Kagome-Gitter verschwören, um exotische Quantenphänomene hervorzurufen.
Quelle der Geschichte:
Materialien zur Verfügung gestellt von Universität Würzburg. Original geschrieben von Katja Lesser. Hinweis: Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.