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Rätselhafte Quantenzustände im Supraleiter hängen mit Streifenmustern zusammen
In Supraleitern können unter Magnetfeldern winzige Wirbel entstehen, in deren Zentrum ungewöhnliche Quantenzustände auftreten. Messungen an einem eisenbasierten Material zeigen nun, dass die Lage dieser Wirbel zu periodischen Elektronenstreifen mit dem Auftreten möglicher Majorana-Nullmoden zusammenhängt. Der Befund könnte erklären, warum im selben Supraleiter nur manche Wirbel solche Zustände aufweisen.
Beijing (China). Supraleiter können elektrischen Strom unterhalb einer kritischen Temperatur ohne Widerstand transportieren. Durchdringt ein Magnetfeld einen solchen Stoff, bilden sich unter bestimmten Bedingungen winzige magnetische Flusswirbel. In deren Zentrum ist die Supraleitung abgeschwächt und es können besondere elektronische Zustände entstehen, deren Energien sich gezielt vermessen lassen.
Besonders interessant sind dabei sogenannte Majorana-Nullmoden. Diese theoretisch vorhergesagten Anregungen verhalten sich in mancher Hinsicht wie Teilchen, die ihre eigenen Antiteilchen sind, und könnten eines Tages für störungsresistente Quantenberechnungen genutzt werden. Ihre experimentellen Kennzeichen werden bislang aber keineswegs in jedem magnetischen Wirbel gefunden. Weshalb sich einzelne Wirbel im selben Supraleiter so unterscheiden, war bisher nicht vollständig geklärt.
Forscher des Boston College (BC) um Prof. Ziqiang Wang haben nun gemeinsam mit Kollegen dünne Filme aus mit Kobalt dotiertem Barium-Eisen-Arsenid untersucht. Die Wissenschaftler stellten die supraleitenden Filme mit einem kontrollierten Beschichtungsverfahren her und analysierten sie mit einem Rastertunnelmikroskop. Bei sehr tiefen Temperaturen erfassten sie die elektronischen Zustände rund um zahlreiche magnetische Wirbel mit nahezu atomarer räumlicher Auflösung.
Die Messungen machten zwei Gruppen von Wirbelkernen sichtbar. In der ersten zeigten die eingeschlossenen Zustände eine Folge ganzzahlig quantisierter Energien, zu der auch ein Signal bei null Energie gehörte. Diese Kombination ist mit dem Auftreten einer Majorana-Nullmode vereinbar. In der zweiten Gruppe fehlte das Nullenergiesignal. Hier folgten die Energien der Kernzustände stattdessen einer Folge halbzahlig versetzter Werte, wie sie für gewöhnliche Wirbel erwartet wird.
Gleichzeitig entdeckte das Team ein regelmäßiges Streifenmuster in der elektronischen Ladungsverteilung. Die Streifen verlaufen entlang einer Richtung des Kristallgitters und wiederholen sich ungefähr alle 1,3 Nanometer. Rund um die magnetischen Wirbel ist dieses Muster besonders ausgeprägt, reicht aber auch über die unmittelbaren Kerne hinaus. Damit liegen zwei verschiedene elektronische Ordnungsphänomene auf engstem Raum nebeneinander vor.
Bei der genaueren Analyse von 60 Wirbeln fanden die Forscher einen deutlichen räumlichen Zusammenhang. Wirbel mit Majorana-ähnlichem Nullenergiesignal lagen bevorzugt an Knoten des Streifenmusters, an denen die periodische Schwankung das Vorzeichen wechselt. Gewöhnliche Wirbel fanden sich häufiger an den Bäuchen, an denen diese Schwankung besonders stark ausfällt. Weniger als fünf Prozent der untersuchten Wirbel wichen von diesem Muster ab.
Der Abstand der Wirbelmitte zu den Ladungsstreifen erwies sich dabei als aussagekräftiger als der Abstand zwischen den gemessenen Energieniveaus. Bei wiederholtem Anlegen eines Magnetfeldes verschoben sich einige Wirbel um wenige Nanometer. In einzelnen Fällen wechselte damit auch die Art der gemessenen Kernzustände. Das spricht für einen engen Zusammenhang zwischen der räumlichen Lage des Wirbels und seinen elektronischen Eigenschaften, ist aber noch keine technisch kontrollierte Schaltung eines Quantenzustands.
Um den Zusammenhang zu verstehen, haben die Wissenschaftler außerdem theoretische Modelle untersucht. Eine einfache Veränderung der lokalen elektronischen Energie durch die Ladungsstreifen genügt demnach nicht als Erklärung. Stattdessen könnte die Stärke der supraleitenden Ordnung im Rhythmus der Streifen schwanken. Je nachdem, ob ein Wi