Resultat unterstützt Materialforscher bei Entwicklung neuer Supraleiter
2013 hatte ein internationales Team um Max-Planck-Forscher Andrea Cavalleri entdeckt, dass YBCO, wenn man es mit Infrarot-Laserblitzen bestrahlt, kurzzeitig bei Raumtemperatur supraleitend wird. Offenbar hatte das Laserlicht die Kopplung zwischen den Doppelschichten im Kristall verändert. Der genaue Mechanismus aber blieb unklar – bis ihn die Physiker nun mit einem Experiment am LCLS enträtseln konnten, dem stärksten Röntgenlaser der Welt in den USA. „Zunächst schickten wir erneut einen Infrarotblitz in den Kristall, er regte bestimmte Atome zu Schwingungen an“, erläutert Max-Planck-Physiker Roman Mankowsky, Erstautor der aktuellen Studie. „Kurz darauf schickten wir einen kurzen Röntgenblitz hinterher, um die genaue Kristallstruktur des angeregten Kristalls zu vermessen.“
Das Ergebnis: Der Infrarotblitz hatte die Atome nicht nur in Schwingungen versetzt, sondern zusätzlich ihre Position im Kristall verschoben. Dadurch wurden die Kupferdioxid-Doppelschichten kurzzeitig um zwei Pikometer – ein Hundertstel Atomdurchmesser – dicker, die Lage zwischen ihnen um denselben Betrag dünner. Das wiederum erhöhte die Quanten-Kopplung zwischen den Doppelschichten so stark, dass der Kristall für wenige Pikosekunden bei Raumtemperatur supraleitend wurde.
Durchbruch?
Zum einen hilft das neue Resultat, die noch unvollständige Theorie der Hochtemperatursupraleiter zu verfeinern. „Zum anderen könnte es Materialforscher dabei unterstützen, neue Supraleiter mit höheren Sprungtemperaturen zu entwickeln“, sagt Mankowsky. „Bis hin zum Traum eines Supraleiters, der bei Raumtemperatur funktioniert und ganz ohne Kühlung auskommt.“ Bislang müssen supraleitende Magnete, Motoren und Kabel noch mit flüssigem Stickstoff oder Helium auf extreme Minusgrade gebracht werden. Könnte man auf diese aufwendige Kühlung verzichten, dürfte das für die Technik einen Durchbruch bedeuten.
Findings
After exciting the YBCO lattice, we find that the transport of electrons between copper-oxygen planes appears to be strongly modified. Our results suggest that the mid-infrared light causes the material to behave like a 3D superconductor even far above the critical temperature. We investigated two cases:
(1) Below the critical temperature, when the material is superconducting, the light appears to enhance superconductivity. We see evidence in the optical conductivity response of enhanced Josephson tunneling between bilayers—more hopping across the gap between pairs of planes. This corresponds to more pairs of electrons contributing to the zero resistance state. This enhancement is compensated by less hopping within the pairs of planes. This means we are probably not creating new pairs, but instead changing the behavior of the pairs that are already there in a way that helps the superconducting state.
(2) Above the critical temperature, where the material is not a superconductor, the light appears to create a superconducting channel perpendicular to the Copper oxide planes. Rather than creating superconducting pairs, our results support the idea that these pairs are already present and already tunneling across the closely-spaced planes in the bilayer. The crystal excitation allows the pairs to hop across the space between bilayers. The optical conductivity of the light-induced state above the critical temperature is very similar to the conductivity in the superconducting state below the critical temperature without light excitation. Surprisingly, this “transient” superconducting state can be induced even up to room temperature.
Current Limits and Open Questions
(1) The light only transforms a fraction of the entire material (< 20%). Can one generate a homogeneous superconductor with light?
(2) The mid-infrared light is delivered as a pulse that lasts less than half a picosecond, and the entire effect lasts only a few picoseconds. Is there a way to extend the lifetime of the light-induced state?
(3) How does exciting the oxygen atom between copper-oxygen planes promote superconductivity? Can we develop a material that has the same properties, but without requiring light excitation—a true room temperature superconductor? From: mpsd.mpg.de
->Quellen: