Wissenschaftler mischen Eigenschaften und passen sie an, um einen neuen Supraleiter mit chiraler Struktur herzustellen

Feinabstimmung von Kristallsymmetrie und Supraleitfähigkeit mit Hilfe von Festkörpermethoden

06.02.2024

Forscher der Tokyo Metropolitan University haben einen neuen Supraleiter mit chiraler Kristallstruktur geschaffen, indem sie zwei Materialien miteinander vermischt haben: eines mit Supraleitfähigkeit, aber ohne Chiralität, und ein anderes mit Chiralität, aber ohne Supraleitfähigkeit. Die neue Platin-Iridium-Zirkonium-Verbindung geht unterhalb von 2,2 K in einen Massensupraleiter über und weist eine chirale Kristallstruktur auf, die mittels Röntgenbeugung beobachtet wurde. Der neue Ansatz für feste Lösungen verspricht, die Entdeckung und das Verständnis neuer exotischer supraleitender Materialien zu beschleunigen.

Wissenschaftler, die sich mit Supraleitung befassen, wollen verstehen, wie die exotische Natur supraleitender Materialien aus ihrer Struktur resultiert und wie wir die Struktur kontrollieren können, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Unter den vielen Aspekten der Struktur ist eine interessante neuere Entwicklung die Frage der Chiralität. Viele Strukturen haben eine "Händigkeit", das heißt, sie sehen in einem Spiegel nicht gleich aus. Ein Effekt der Chiralität in Supraleitern ist die so genannte asymmetrische Spin-Orbit-Kopplung (ASOC), ein Effekt, der Supraleiter robuster gegenüber hohen Magnetfeldern machen kann.

Um die Chiralität genauer zu verstehen, benötigen die Wissenschaftler jedoch mehr Supraleiter mit einer chiralen Struktur, die sie untersuchen können. Der übliche Weg besteht darin, chirale Verbindungen zu suchen, zu prüfen, ob sie supraleitend sind oder nicht, zu spülen und zu wiederholen: Das ist sehr ineffizient. Aus diesem Grund hat ein Team der Tokyo Metropolitan University unter der Leitung von Associate Professor Yoshikazu Mizuguchi einen völlig neuen Ansatz entwickelt. Anstatt Listen von Verbindungen zu durchkämmen, mischten sie zwei Verbindungen mit bekannten physikalischen Eigenschaften: eine Platin-Zirkonium-Verbindung mit Supraleitfähigkeit, aber ohne Chiralität, und eine Iridium-Zirkonium-Verbindung mit chiraler Struktur, aber ohne Berichte über Supraleitfähigkeit. Durch die Kombination von Elementen in einem Verhältnis, das einem bestimmten Anteil jeder Verbindung entspricht, konnten sie die physikalischen Eigenschaften effektiv "mischen und anpassen" und so ein neues Material entwickeln, das sowohl eine chirale Kristallstruktur als auch Supraleitfähigkeit aufweist.

Das Team untersuchte zunächst verschiedene Mischungsverhältnisse und stellte fest, dass bei einem Iridiumanteil von etwa 80 % der Anteil der chiralen Kristallstruktur (hier die P6122-Struktur der chiralen Iridium-Zirkonium-Verbindung) bei Raumtemperatur rasch zunimmt. Durch Abkühlung der Proben auf niedrige Temperaturen konnten sie die Supraleitfähigkeit bis zu etwa 85 % bestätigen. Damit blieb ein kleines Fenster, in dem sich beide Eigenschaften manifestieren können. Bei ihrer 80%igen Mischung kühlten sie die Probe bis etwa zu dem Punkt ab, an dem die Supraleitfähigkeit auftrat, und stellten fest, dass der Anteil der chiralen Struktur drastisch zunahm. Ihre neue Verbindung ist also eindeutig ein Supraleiter mit chiraler Struktur.

Das Team bestätigte auch, dass die Supraleitfähigkeit in der Masse und nicht an der Oberfläche entsteht. Ihre Arbeit zeigt, dass ein "Mix-and-Match"-Ansatz bei der Herstellung neuer exotischer Supraleiter möglich ist - ein willkommener, dramatischer Impuls auf der Suche nach mehr Materialien und mehr Verständnis.

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