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Supraleitung mit gebrochener Zeitsymmetrie

Neuartiger Quantenzustand aufgrund topologischer Veränderungen des elektronischen Systems

In Kooperation innerhalb eines internationalen Forschungsteams entdeckten Physiker des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) einen neuen magnetischen Zustand, der spontan von einem Supraleiter mit gebrochener Zeitumkehrsymmetrie erzeugt wird.

Was ist Symmetrie? Im Alltag verwenden wir dieses Wort häufig in Bezug auf Spiegelreflexionen, um die visuelle Ähnlichkeit zwischen der linken und rechten Seite der beobachteten Objekte zu beschreiben. Es gibt auch kompliziertere Beispiele, wie die Rotationssymmetrie von Ornamenten und Blumen, Translationssymmetrien von Gittern und Wabenmustern. In der mathematischen Beschreibung der Natur wird Symmetrie allgemein als eine gewisse Beständigkeit physikalischer Gesetze verstanden. Zum Beispiel kann die Beständigkeit der Koordinatentransformationen überprüft werden, indem das Verhalten von rotierten oder versetzten physischen Objekten untersucht wird. Solche Symmetrien sind intuitiv mit unseren Alltagserfahrungen verbunden.

Es gibt jedoch ein sehr ausgefeiltes Konzept der Zeitumkehrsymmetrie, das seit langem Philosophen und Wissenschaftler beschäftigt. Die Zeitumkehr ist der Eckpfeiler vieler physikalischer Theorien. Ein zeitumgekehrtes Verhalten kann man sich veranschaulichen, indem man eine Videoaufnahme eines Systems macht und den Film dann rückwärts abspielt. In bestimmten interessanten Fällen versagt diese Intuition jedoch und das System verhält sich anders, wenn die Zeitrichtung umgekehrt wird. Man sprich dann von gebrochener Zeitumkehrsymmetrie. Diese führt zum Beispiel zu einem grundlegenden Unterschied zwischen Teilchen und Antiteilchen.

Ein physikalisches System, das durch symmetrische Gesetze beschrieben wird und symmetrischen Anfangsbedingungen entspricht kann asymmetrische stationäre Zustände aufweisen. Ein Beispiel für spontan gebrochene Symmetrien ist eine Kugel, die einen zylindersymmetrischen Sombrero herabrollt und dabei ihre potenzielle Energie minimiert. Die stabile Kugelposition am Talboden bricht die Zylindersymmetrie des Sombreros. Dieser spontane Symmetriebruch ähnelt qualitativ den gewöhnlichen supraleitenden Zuständen. In exotischeren Fällen kann der Sombrero eine kompliziertere Geometrie aufweisen, wodurch zusätzliche gebrochene Symmetrien entstehen, die den unkonventionellen supraleitenden Zuständen entsprechen. Typischerweise ist die zusätzliche Symmetrie eine Rotationssymmetrie des Kristallgitters. In einigen Fällen kann ein Supraleiter jedoch auch die Zeitumkehrsymmetrie spontan aufbrechen. Dies bedeutet, dass sich der Supraleiter bei einer Zeitumkehr grundlegend anders verhalten würde. Mit anderen Worten, es gibt zwei stabile Positionen einer „Kugel im Sombrero“, die durch die Zeitumkehrtransformation miteinander in Beziehung stehen.

Wie kann man experimentell bestätigen, dass ein Supraleiter die Zeitumkehrsymmetrie durchbricht? Der Schlüssel hierzu sind Magnetfelder, die spontan unterhalb der supraleitenden Übergangstemperatur Tc auftreten. Diese Felder können Domänen bilden, die sich durch eine umgekehrte Richtung der Magnetfelder auszeichnen. Es ist wichtig, dass diese Domänen durch Inversion der Zeit in den Gleichungen, die diese Zustände beschreiben, ineinander umgewandelt werden. Daher sagen Physiker, dass ein solcher Supraleiter spontan die Zeitumkehrsymmetrie bricht. Warum ist der Zustand mit unterbrochener Zeitumkehrsymmetrie für einen Supraleiter ungewöhnlich? Die bekannteste Eigenschaft eines Supraleiters ist, dass er Strom ohne Verluste leiten kann. Weniger bekannt ist jedoch, dass dies mit der Tatsache zusammenhängt, dass ein Supraleiter ein idealer Diamagnet ist, was bedeutet, dass Magnetfelder aus einem Supraleiter herausgedrängt werden. Deshalb ist das gleichzeitige Auftreten von Magnetismus und Supraleitung ein sehr besonderer, und für Physiker interessanter Zustand.

In einer kürzlich in Nature Physics veröffentlichten Studie haben die Wissenschaftler experimentell gezeigt, dass der supraleitende Zustand der Verbindung Barium-Kalium-Eisen-Arsenid (chemische Formel: Ba(1-x)KxFe2As2) die spontane Zeitumkehr­symmetrie aufbrechen kann, selbst wenn supraleitende Wechselwirkungen für sich genommen alle Symmetrien bewahren. Die theoretische Analyse zeigt, dass in einem engen Bereich der Kaliumsubstitution zwei verschiedene supraleitende Zustände in dieser Verbindung um dieselben Elektronen konkurrieren. Diese Konkurrenz führt zur Bildung eines Zweikomponenten-supraleitenden Zustands, der die Zeitumkehrsymmetrie bricht. Die Studie deckt die Beziehung zwischen den elektronischen Eigenschaften des Materials und den Bedingungen für die Entstehung dieses neuartigen Typs eines magnetischen Supraleiters auf. Das kann vielversprechend für die Anwendung dieser Materialien in der supraleitenden Elektronik sein. Die Entwicklung von Methoden zur Steuerung dieser neuen Form des Magnetismus und ihres Zusammenspiels mit der Supraleitung, beispielsweise durch kontrolliertes Einbringen von Dotierungen, kann weitere Möglichkeiten für die Entwicklung supraleitender Bauelemente eröffnen.

Originalpublikation: V. Grinenko , R. Sarkar, K. Kihou, C. H. Lee, I. Morozov, S. Aswartham, B. Büchner, P. Chekhonin, W. Skrotzki, K. Nenkov, R. Hühne, K. Nielsch, S. -L. Drechsler, V. L. Vadimov, M. A. Silaev, P. A. Volkov, I. Eremin, H. Luetkens, and H.-H. Klauss, ‘Superconductivity with broken time-reversal symmetry inside a superconducting s-wave state’ Nature Physics, 10.1038/s41567-020-0886-9.    URL: www.nature.com/articles/s41567-020-0886-9

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Kontakt:

Dr. Vadim Grinenko
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Prof. Dr. Hans-Henning Klauss
e-mail:  h.klauss(at)physik.tu-dresden.de
Tel.:   +49 351 463-42125

Spontane Magnetfelder in einem S-Wellen-Supraleiter, Bild: Dr. Mikhail Silaev, Univ. of Jyväskylä, Finnland