Wissenschaftler haben gerade einen verborgenen Quantentanz entdeckt, der die Supraleitung umgestalten könnte.
Zum ersten Mal haben Wissenschaftler den Quantenprozess hinter der Supraleitung direkt visualisiert, ein Phänomen, bei dem sich Elektronen paaren und den Strom bei sehr niedrigen Temperaturen ohne Widerstand fließen lassen.
Das Ergebnis entsprach nicht den Erwartungen der Forscher.
In einer am 15. April veröffentlichten StudieBriefe zur körperlichen Untersuchung, haben Wissenschaftler Bilder von einzelnen Atomen aufgenommen, die Paare in einem speziell vorbereiteten, in der Nähe gekühlten Gas bildenabsoluter Nullpunkt– die unerreichbare Grenze, wie kalt es werden kann. Dieses als Fermi-Gas bekannte System ermöglicht es Forschern, Elektronen durch Atome zu ersetzen und das supraleitende Verhalten in einer kontrollierten Umgebung zu untersuchen.
Unerwartetes Verhalten in gepaarten Atomen
Nach der Paarbildung verhielten sich die Atome nicht wie erwartet. Anstatt unabhängig voneinander zu agieren, bewegten sich die Paare in einem koordinierten Muster, wobei die Position jedes Paares von benachbarten Paaren beeinflusst wurde – etwas, das von der 70 Jahre alten, mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Theorie der Supraleitung nicht vorhergesagt wurde.
„Unser Experiment hat gezeigt, dass dieser Theorie qualitativ etwas fehlt“, sagt Tarik Yefsah, Leiter der experimentellen Forschung vom Laboratoire Kastler Brossel am französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) in Paris. Yefsah und andere Experimentalphysiker am CNRS arbeiteten bei der neuen Studie mit theoretischen Physikern zusammen, darunter Shiwei Zhang vom Flatiron Institute der Simons Foundation.
Diese Entdeckung erweitert das wissenschaftliche Verständnis der Supraleitung um ein wichtiges Detail und könnte als Orientierung für die Bemühungen zur Entwicklung von Raumtemperatur-Supraleitern dienen, einem wichtigen Ziel, das zu weitaus effizienteren Energiesystemen und elektronischen Geräten führen könnte.
Wie Supraleiter den Widerstand beseitigen
Supraleitung tritt normalerweise bei bestimmten Metallen auf, wenn sie auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt werden – weit unter dem, was auf der Erde natürlich vorkommt. Sobald das Material eine kritische Temperatur unterschreitet, verschwindet der elektrische Widerstand. Dies geschieht, weil Elektronen Paare bilden und sich gemeinsam bewegen, oft verglichen mit Tänzern, die sich über den Boden eines Ballsaals bewegen.
Diese grundlegende Erklärung wurde in den 1950er Jahren von den Physikern John Bardeen, Leon Cooper und John Robert Schrieffer entwickelt.
Grenzen der BCS-Theorie
Allerdings ist die BCS-Theorie – benannt nach ihren Erfindern – keine vollständige Beschreibung. Es erklärt nicht alle Arten von Supraleitern vollständig und erfasst nicht alle Aspekte des Phänomens. Wissenschaftler vermuteten schon lange, dass wichtige Details fehlten, wussten aber nicht genau, was.
„Die BCS-Theorie sagt uns, dass Supraleitung entsteht, weil Elektronen dazu neigen, sich zu paaren“, sagt Zhang, ein leitender Wissenschaftler und Gruppenleiter am Center for Computational Quantum Physics (CCQ) des Flatiron Institute. „Aber es ist eine grobe Theorie und sie sagt uns nichts darüber, wie die Paare interagieren.“ Nach diesem Rahmen sind Paare unabhängig voneinander über ein Material verteilt, sodass ein Paar kein anderes in der Nähe beeinträchtigen sollte.
Neue Bildgebungstechnik enthüllt Paarinteraktionen
Um diese Lücke zu erkunden, arbeiteten Experimentalphysiker am CNRS mit Theoretikern am CCQ zusammen, um zu untersuchen, wie Paare sich gegenseitig beeinflussen.
Mithilfe einer neuen Bildgebungsmethode zeichnete das Team Momentaufnahmen der Positionen gepaarter Atome auf. Sie nutzten ein Gas aus Lithiumatomen, das auf wenige Milliardstel Grad abgekühlt warCelsiusüber dem absoluten Nullpunkt. Bei diesen Temperaturen verhalten sich die Atome wie Fermionen, also zur gleichen Teilchenklasse wie Elektronen, was sie zu einem guten Modellsystem macht.
Die Bilder zeigten, dass die Positionen gepaarter Atome miteinander verbunden waren. Jedes Paar hielt einen gewissen Abstand zu anderen, ähnlich wie Paare auf einer Tanzfläche vermeiden, miteinander zusammenzustoßen. Dieses Muster offenbart Interaktionen, die in der traditionellen BCS-Beschreibung nicht enthalten sind.
Ein klarerer Blick in das Quantensystem
„Die BCS-Theorie ermöglicht uns einen Blick von außerhalb des Ballsaals, wo wir die Musik hören und sehen können, wie die Tänzer herauskommen, aber wir wissen nicht, was im Ballsaal vor sich geht“, sagt Yefsah. „Unser Ansatz ist, als würde man mit einer Weitwinkelkamera in den Ballsaal gehen. Jetzt können wir sehen, wie die Tänzer Paare bilden und aufeinander achten, damit sie nicht aneinander stoßen.“
Um die Ergebnisse zu bestätigen, führten Zhang und sein ehemaliger Postdoktorand am CCQ, Yuan-Yao He vom Institut für Moderne Physik der Northwest University in China, detaillierte Quantensimulationen desselben Systems durch. Die Simulationsergebnisse stimmten mit den experimentellen Beobachtungen überein und reproduzierten die fehlenden Merkmale, einschließlich des Abstands zwischen den gepaarten „Tänzern“.
Implikationen für zukünftige Supraleiter
Diese Erkenntnisse vertiefen das Verständnis von Supraleitern und anderen Quantenmaterialien aus Fermionen. Solche Fortschritte sind für die Entwicklung von Materialien, die bei höheren Temperaturen supraleitend sein können, von entscheidender Bedeutung.
In den 1980er Jahren entdeckten Wissenschaftler, die Metalllegierungen untersuchten, eine Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern, die bei Temperaturen nahe denen von flüssigem Stickstoff arbeiten – immer noch kalte minus 196 Grad Celsius (minus 321 Grad).Fahrenheit). Wissenschaftler verstehen immer noch nicht vollständig, warum diese Materialien bei diesen relativ höheren Temperaturen funktionieren.
Durch die Verbesserung des Wissens darüber, wie Supraleitung auf grundlegender Ebene funktioniert, hoffen die Forscher, schließlich Materialien zu schaffen, die unter alltäglichen Bedingungen funktionieren. Dies könnte die Effizienz von Stromnetzen und fortschrittlichen Computersystemen erheblich verbessern.
„Wenn wir diesen einfachen Fall verstehen, können wir unsere Werkzeuge verfeinern, um kompliziertere Systeme zu untersuchen“, sagt Zhang. „Und in komplizierteren Systemen suchen wir nach neuen Phasen der Materie, die in der Vergangenheit zu vielen technologischen Durchbrüchen geführt haben.“
Referenz: „Observing Spatial Charge and Spin Correlations in a Strongly Interacting Fermi Gas“ von Cyprien Daix, Maxime Dixmerias, Yuan-Yao He, Joris Verstraten, Tim de Jongh, Bruno Peaudecerf, Shiwei Zhang und Tarik Yefsah, 15. April 2026,Briefe zur körperlichen Untersuchung.
DOI: 10.1103/2t2k-3ftx
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Wissenschaftler haben gerade einen verborgenen Quantentanz entdeckt, der die Supraleitung umgestalten könnte.
Zum ersten Mal haben Wissenschaftler den Quantenprozess hinter der Supraleitung direkt visualisiert, ein Phänomen, bei dem sich Elektronen paaren und den Strom bei sehr niedrigen Temperaturen ohne Widerstand fließen lassen.
Das Ergebnis entsprach nicht den Erwartungen der Forscher.
In einer am 15. April veröffentlichten StudieBriefe zur körperlichen Untersuchung, haben Wissenschaftler Bilder von einzelnen Atomen aufgenommen, die Paare in einem speziell vorbereiteten, in der Nähe gekühlten Gas bildenabsoluter Nullpunkt– die unerreichbare Grenze, wie kalt es werden kann. Dieses als Fermi-Gas bekannte System ermöglicht es Forschern, Elektronen durch Atome zu ersetzen und das supraleitende Verhalten in einer kontrollierten Umgebung zu untersuchen.
Unerwartetes Verhalten in gepaarten Atomen
Nach der Paarbildung verhielten sich die Atome nicht wie erwartet. Anstatt unabhängig voneinander zu agieren, bewegten sich die Paare in einem koordinierten Muster, wobei die Position jedes Paares von benachbarten Paaren beeinflusst wurde – etwas, das von der 70 Jahre alten, mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Theorie der Supraleitung nicht vorhergesagt wurde.
„Unser Experiment hat gezeigt, dass dieser Theorie qualitativ etwas fehlt“, sagt Tarik Yefsah, Leiter der experimentellen Forschung vom Laboratoire Kastler Brossel am französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung (CNRS) in Paris. Yefsah und andere Experimentalphysiker am CNRS arbeiteten bei der neuen Studie mit theoretischen Physikern zusammen, darunter Shiwei Zhang vom Flatiron Institute der Simons Foundation.
Diese Entdeckung erweitert das wissenschaftliche Verständnis der Supraleitung um ein wichtiges Detail und könnte als Orientierung für die Bemühungen zur Entwicklung von Raumtemperatur-Supraleitern dienen, einem wichtigen Ziel, das zu weitaus effizienteren Energiesystemen und elektronischen Geräten führen könnte.
Wie Supraleiter den Widerstand beseitigen
Supraleitung tritt normalerweise bei bestimmten Metallen auf, wenn sie auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt werden – weit unter dem, was auf der Erde natürlich vorkommt. Sobald das Material eine kritische Temperatur unterschreitet, verschwindet der elektrische Widerstand. Dies geschieht, weil Elektronen Paare bilden und sich gemeinsam bewegen, oft verglichen mit Tänzern, die sich über den Boden eines Ballsaals bewegen.
Diese grundlegende Erklärung wurde in den 1950er Jahren von den Physikern John Bardeen, Leon Cooper und John Robert Schrieffer entwickelt.
Grenzen der BCS-Theorie
Allerdings ist die BCS-Theorie – benannt nach ihren Erfindern – keine vollständige Beschreibung. Es erklärt nicht alle Arten von Supraleitern vollständig und erfasst nicht alle Aspekte des Phänomens. Wissenschaftler vermuteten schon lange, dass wichtige Details fehlten, wussten aber nicht genau, was.
„Die BCS-Theorie sagt uns, dass Supraleitung entsteht, weil Elektronen dazu neigen, sich zu paaren“, sagt Zhang, ein leitender Wissenschaftler und Gruppenleiter am Center for Computational Quantum Physics (CCQ) des Flatiron Institute. „Aber es ist eine grobe Theorie und sie sagt uns nichts darüber, wie die Paare interagieren.“ Nach diesem Rahmen sind Paare unabhängig voneinander über ein Material verteilt, sodass ein Paar kein anderes in der Nähe beeinträchtigen sollte.
Neue Bildgebungstechnik enthüllt Paarinteraktionen
Um diese Lücke zu erkunden, arbeiteten Experimentalphysiker am CNRS mit Theoretikern am CCQ zusammen, um zu untersuchen, wie Paare sich gegenseitig beeinflussen.
Mithilfe einer neuen Bildgebungsmethode zeichnete das Team Momentaufnahmen der Positionen gepaarter Atome auf. Sie nutzten ein Gas aus Lithiumatomen, das auf wenige Milliardstel Grad abgekühlt warCelsiusüber dem absoluten Nullpunkt. Bei diesen Temperaturen verhalten sich die Atome wie Fermionen, also zur gleichen Teilchenklasse wie Elektronen, was sie zu einem guten Modellsystem macht.
Die Bilder zeigten, dass die Positionen gepaarter Atome miteinander verbunden waren. Jedes Paar hielt einen gewissen Abstand zu anderen, ähnlich wie Paare auf einer Tanzfläche vermeiden, miteinander zusammenzustoßen. Dieses Muster offenbart Interaktionen, die in der traditionellen BCS-Beschreibung nicht enthalten sind.
Ein klarerer Blick in das Quantensystem
„Die BCS-Theorie ermöglicht uns einen Blick von außerhalb des Ballsaals, wo wir die Musik hören und sehen können, wie die Tänzer herauskommen, aber wir wissen nicht, was im Ballsaal vor sich geht“, sagt Yefsah. „Unser Ansatz ist, als würde man mit einer Weitwinkelkamera in den Ballsaal gehen. Jetzt können wir sehen, wie die Tänzer Paare bilden und aufeinander achten, damit sie nicht aneinander stoßen.“
Um die Ergebnisse zu bestätigen, führten Zhang und sein ehemaliger Postdoktorand am CCQ, Yuan-Yao He vom Institut für Moderne Physik der Northwest University in China, detaillierte Quantensimulationen desselben Systems durch. Die Simulationsergebnisse stimmten mit den experimentellen Beobachtungen überein und reproduzierten die fehlenden Merkmale, einschließlich des Abstands zwischen den gepaarten „Tänzern“.
Implikationen für zukünftige Supraleiter
Diese Erkenntnisse vertiefen das Verständnis von Supraleitern und anderen Quantenmaterialien aus Fermionen. Solche Fortschritte sind für die Entwicklung von Materialien, die bei höheren Temperaturen supraleitend sein können, von entscheidender Bedeutung.
In den 1980er Jahren entdeckten Wissenschaftler, die Metalllegierungen untersuchten, eine Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern, die bei Temperaturen nahe denen von flüssigem Stickstoff arbeiten – immer noch kalte minus 196 Grad Celsius (minus 321 Grad).Fahrenheit). Wissenschaftler verstehen immer noch nicht vollständig, warum diese Materialien bei diesen relativ höheren Temperaturen funktionieren.
Durch die Verbesserung des Wissens darüber, wie Supraleitung auf grundlegender Ebene funktioniert, hoffen die Forscher, schließlich Materialien zu schaffen, die unter alltäglichen Bedingungen funktionieren. Dies könnte die Effizienz von Stromnetzen und fortschrittlichen Computersystemen erheblich verbessern.
„Wenn wir diesen einfachen Fall verstehen, können wir unsere Werkzeuge verfeinern, um kompliziertere Systeme zu untersuchen“, sagt Zhang. „Und in komplizierteren Systemen suchen wir nach neuen Phasen der Materie, die in der Vergangenheit zu vielen technologischen Durchbrüchen geführt haben.“
Referenz: „Observing Spatial Charge and Spin Correlations in a Strongly Interacting Fermi Gas“ von Cyprien Daix, Maxime Dixmerias, Yuan-Yao He, Joris Verstraten, Tim de Jongh, Bruno Peaudecerf, Shiwei Zhang und Tarik Yefsah, 15. April 2026,Briefe zur körperlichen Untersuchung.
DOI: 10.1103/2t2k-3ftx
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