Elektronen-Paarung auch ohne Supraleitung

Quantenstruktur aus Strontiumtitanat zeigt ungewöhnliches Verhalten der negativen Ladungsträger
Paarbildung von Elektronen: Komplexe Diagramme zeigen die elektrische Leitfähigkeit in tiefgekühlten Supraleitern. Die rautenförmigen Strukturen weisen auf eine Paarbildung der Elektronen hin.
Paarbildung von Elektronen: Komplexe Diagramme zeigen die elektrische Leitfähigkeit in tiefgekühlten Supraleitern. Die rautenförmigen Strukturen weisen auf eine Paarbildung der Elektronen hin.
© Guanglei Cheng et al., Nature, Pittsburgh Quantum Institute
Pittsburgh (USA) - Supraleiter transportieren Strom ohne elektrischen Widerstand. Dafür machen Physiker gepaarte Elektronen verantwortlich, die bei ihrer Wanderung keine Energie an das Kristallgitter des Supraleiters abgeben. US-Forscher entdeckten nun jedoch, dass Elektronenpaare auch ohne Supraleitung existieren. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, eröffnen ihre Messungen neue Einblicke in das Verhalten von Elektronen bei tiefen Temperaturen.

„Wir haben einen neuen Zustand entdeckt, bei dem keine Supraleitung mehr vorliegt und die Elektronen dennoch als Paare auftreten“, sagt Guanglei Cheng vom Pittsburgh Quantum Institute. Er vergleicht diese Elektronen mit Tänzern, die sich zwar paarweise bewegen, jedoch nicht mehr mit anderen Paaren synchronisiert. Für ihr Experiment wählte Cheng zusammen mit seinen Kollegen das kristalline Metalloxid Strontiumtitanat, das bei -273 Grad Celsius vom halbleitenden in den supraleitenden Zustand wechselt. Kombiniert mit einer millionstel Millimeter dünnen Schicht aus Lanthanaluminat fertigten sie einen sogenannten Ein-Elektron-Transistor auf der Basis eines supraleitenden Quantenpunkts.

Auf die Sprungtemperatur von -273° gekühlt zeigten Messungen der elektrischen Leitfähigkeit, dass Strontiumtitanat wie erwartet supraleitend wurde. Die Messdaten bildeten die Grundlage für komplexe Spannungs-Stromstärke Diagramme, aus denen ebenfalls auf die Paarung von Elektronen geschlossen werden konnte. Doch sowohl bei etwas erhöhten Temperaturen als auch unter der Wirkung starker Magnetfelder über vier Tesla brach die Supraleitung zusammen. Dennoch zeigten die Messdaten, dass sich die Elektronen weiterhin bevorzugt paarten.

Mit theoretischen Modellen versuchten Cheng und Kollegen, dieses ungewöhnliche Verhalten zu erklären. So könnten wahrscheinlich Polarisationseffekte im Kristallgitter von Strontiumtitanat die Voraussetzung für den Paartanz der Elektronen geliefert haben. Genauere Analysen der Paarbildung etwa an anderen Supraleitern könnten diese Vermutung in Zukunft bestätigen. Sicher ist jedoch, dass die Paarbildung der Elektronen nicht mit dem Zusammenbruch der Supraleitung endet. Vielmehr bilden Elektronenpaare einen exotischen Zustand der negativen Ladungsträger, aus denen dann bei stärkerer Abkühlung oder ohne störende Magnetfelder die Supraleitung hervorgeht.

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