Physiker lauschen elektrischem Rauschen und entdecken: Elektronen paarten sich schon die ganze Zeit

Supraleiter leiten Strom ohne Widerstand – eine Leistung, die die meisten von ihnen nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt schaffen, also bei Temperaturen, bei denen „praktische Anwendung“ ein ferner Traum bleibt. In den späten 1980er Jahren entdeckte man, dass kupferbasierte Materialien, sogenannte Cuprate, bei höheren Temperaturen supraleitend werden, die mit günstigem flüssigem Stickstoff erreichbar sind. Fast 40 Jahre später sind sich die Physiker immer noch nicht einig, warum. Das passiert, wenn man entdeckt, dass etwas funktioniert, bevor man es versteht – eine Situation, die jedem bekannt vorkommt, der schon einmal einen Computer durch Neustart repariert hat.

In einer aktuellen Studie in Science hat ein Team unter der Leitung von Milan Allan von der Ludwig-Maximilians-Universität München und Ingmar Swart von der Universität Utrecht in den Niederlanden einige Antworten gefunden, indem es das schwache elektrische Knistern des Stroms belauschte, der in ein Cuprat fließt. Ja, sie haben buchstäblich das Rauschen angehört. Es ist nicht ganz „ausschalten und wieder einschalten“, aber nah dran.

Im Zentrum des Rätsels steht ein seltsamer Zustand namens Pseudogap. „Das Pseudogap ist ein Phänomen fehlender Elektronen“, sagte Allan. Oberhalb der Temperatur, bei der Cuprate supraleitend werden, scheinen einige ihrer Elektronen zu verschwinden – Messungen finden weit weniger von ihnen bei den Energien, wo sie sein sollten. „Jeder weiß, dass man mit verschiedenen Sonden sieht, dass es diese verschwindenden Elektronen gibt, aber niemand weiß warum“, sagte Allan. Das ist das physikalische Äquivalent dazu, seine Schlüssel zu verlieren und sie an der letzten Stelle zu finden, an der man nachschaut – außer dass die Schlüssel Elementarteilchen sind und die letzte Stelle ein Quantenzustand ist.

Über die Jahrzehnte haben Physiker zwei konkurrierende Haupt erklärungen vorgelegt. Die erste hypothetisiert, dass Elektronen in einer Art Struktur stecken bleiben – etwa in Mustern wie Ladungsdichtewellen erstarren – und sich die Supraleitung getrennt entwickelt. Die Alternative verknüpft das Phänomen eng mit der Supraleitung. „Andere denken, sie fehlen, weil sie Paare bilden“, sagte Allan. Elektronenpaare, sogenannte Cooper-Paare, sind das, was in einem Supraleiter den Strom trägt. Wenn diese Paare auftreten, bevor das Material supraleitend wird, wären sie eine Vorbedingung für Supraleitung – eine Art Wartezimmer, in dem Paare existieren, sich aber noch nicht im Gleichschritt bewegen können. Man stelle sich eine Tanzfläche vor, auf der jeder einen Partner hat, aber niemand sich auf die Choreografie einigen kann.

Das zu klären erwies sich als extrem schwierig. „Viele verschiedene experimentelle Signaturen werden sozusagen in einen Topf geworfen“, sagte Allan. Verschiedene Instrumente sehen alle etwas, aber ihre Messwerte, so Allan, sind nie schlüssig. „Es ist immer etwas irgendwie Inkohärentes, schwer zu Greifendes“, sagte er. Was die Forscher brauchten, war eine Möglichkeit, Paare direkt zu sehen, und Allan und seine Kollegen fanden sie heraus.

Das Team beschloss, das Schrotrauschen zu belauschen – winzige Fluktuationen, die durch das Eintreffen einzelner Ladungen verursacht werden, die den Strom eines elektrischen Stroms bilden. Allan sagt, es erinnere an Regen, der auf das Dach trommelt. „Wenn man sich vorstellt, man hat Regentropfen und plötzlich macht man die Tropfen doppelt so schwer, gibt es mehr Rauschen“, sagte Allan. „Bei den Elektronen ist es ähnlich. Wenn zwei Elektronen immer zusammenkommen, weil sie mit Paarbildung assoziiert sind, dann gibt es mehr Rauschen.“ Wenn sich also das nächste Mal jemand über laute Elektronik beschwert, sagen Sie ihm, es könnten einfach Elektronen sein, die sich paaren.

Die Forscher führten diese Messung mit einem Rastertunnelmikroskop durch, das Strom zwischen einer nadelspitzen Spitze und einer Cuprat-Probe leitete, sodass sie das Rauschen bei bestimmten Energieniveaus und an verschiedenen Orten auf der Oberfläche belauschen konnten. In konventionellen Supraleitern erzeugt die Paarbildung eine saubere Verdopplung des Rauschens. In Cupraten ist das Signal viel schwächer, weil einzelne Elektronen weiterhin neben den Paaren fließen. Es ist, als versuche man, ein Duett in einem vollen Raum zu hören, in dem die meisten Leute solo singen.

Das Instrument empfindlich genug zu machen, um die Paare zu erkennen, dauerte Jahre. „Was es brauchte, waren sehr talentierte und hartnäckige Studenten, die für, ich weiß nicht, ...“