En överraskande upptäckt vid TU Wien kan hjälpa till att lösa gåtan med högtemperatursupraledning:En berömd "konstig metall" visade sig vara en supraledare.

Vid låga temperaturer, vissa material tappar sitt elektriska motstånd och leder elektricitet utan förlust - detta fenomen med supraledning har varit känt sedan 1911, men det är fortfarande inte helt förstått. Och det är synd, eftersom att hitta ett material som fortfarande skulle ha supraledande egenskaper även vid höga temperaturer skulle troligen utlösa en teknisk revolution.

En upptäckt som gjordes vid TU Wien (Wien) kan vara ett viktigt steg i denna riktning:ett team av fasta tillståndsfysiker studerade ett ovanligt material - en så kallad "konstig metall" gjord av ytterbium, rodium och kisel. Konstiga metaller visar ett ovanligt samband mellan elektriskt motstånd och temperatur. När det gäller detta material, denna korrelation kan ses i ett särskilt brett temperaturområde, och den bakomliggande mekanismen är känd. I motsats till tidigare antaganden, det visar sig nu att detta material också är en supraledare och att supraledning är nära relaterad till konstigt metallbeteende. Detta kan vara nyckeln till att förstå högtemperatursupraledning även i andra materialklasser.

Konstig metall:Linjärt samband mellan motstånd och temperatur

I vanliga metaller, elektriskt motstånd vid låga temperaturer ökar med kvadraten på temperaturen. I vissa högtemperatursupraledare, dock, situationen är helt annorlunda:vid låga temperaturer, under den så kallade supraledande övergångstemperaturen, de visar inget elektriskt motstånd alls, och över denna temperatur ökar motståndet linjärt istället för kvadratiskt med temperaturen. Detta är vad som definierar "konstiga metaller".

"Det har därför redan under de senaste åren misstänkts att detta linjära samband mellan resistens och temperatur har stor betydelse för supraledning, "säger prof. Silke Bühler-Paschen, som leder forskningsområdet "Quantum Materials" vid Institute of Solid State Physics vid TU Wien. "Men tyvärr, tills nu har vi inte känt till ett lämpligt material för att studera detta på djupet." När det gäller högtemperatursupraledare, det linjära förhållandet mellan temperatur och motstånd är vanligtvis bara detekterbart i ett relativt litet temperaturområde, och, vidare, olika effekter som oundvikligen uppstår vid högre temperaturer kan påverka detta förhållande på komplicerade sätt.

Många experiment har redan utförts med ett exotiskt material (YbRh2Si2) som uppvisar konstigt metallbeteende över ett extremt brett temperaturområde - men, förvånande, ingen supraledning verkade komma från detta extrema "konstiga metall"-tillstånd. "Teoretiska överväganden har redan lagts fram för att motivera varför supraledning helt enkelt inte är möjlig här, "säger Silke Bühler-Paschen." Ändå, vi bestämde oss för att titta på detta material igen. "

Rekordstora temperaturer

På TU Wien, ett särskilt kraftfullt lågtemperaturlaboratorium finns tillgängligt. "Där kan vi studera material under mer extrema förhållanden än vad andra forskargrupper hittills har kunnat göra, " förklarar Silke Bühler-Paschen. Först, teamet kunde visa att i YbRh2Si2 finns det linjära sambandet mellan motstånd och temperatur i ett ännu större temperaturområde än man tidigare trott – och sedan gjorde de nyckelupptäckten:vid extremt låga temperaturer på bara en millikelvin, den märkliga metallen förvandlas till en supraledare.

"Detta gör vårt material idealiskt för att ta reda på på vilket sätt det konstiga metallbeteendet leder till supraledning, säger Silke Bühler-Paschen.

Paradoxalt, just det faktum att materialet bara blir supraledande vid mycket låga temperaturer säkerställer att det kan användas för att studera högtemperatursupraledning särskilt väl:"Mekanismerna som leder till supraledning syns särskilt väl vid dessa extremt låga temperaturer eftersom de inte överlagras av andra effekter i denna regim. I vårt material, detta är lokaliseringen av några av ledningselektronerna vid en kvantkritisk punkt. Det finns tecken på att en liknande mekanism också kan vara ansvarig för beteendet hos supraledare vid hög temperatur, såsom de berömda kopparna, säger Silke Bühler-Paschen.