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Im selben Kristall konkurrieren zwei Formen der Supraleitung
Supraleitung mit zwei Gesichtern: In der Uranverbindung Uranditellurid können zwei unterschiedliche supraleitende Zustände gleichzeitig bestehen. Neue Ultraschallmessungen zeigen zudem, dass einer dieser Zustände beim weiteren Abkühlen wieder verschwindet, während der andere erhalten bleibt. Das liefert einen wichtigen Hinweis auf die Physik des Materials, beweist aber noch keine topologische Supraleitung.
Ithaca (U.S.A.). Supraleiter leiten elektrischen Strom ohne Widerstand, sobald ihre Temperatur unter eine bestimmte Schwelle fällt. Dabei verbinden sich Elektronen zu Paaren, deren quantenmechanischer Zustand die Eigenschaften des Materials bestimmt. Manche Verbindungen bilden unter verschiedenen Bedingungen sogar mehrere Arten dieser Paarordnung aus.
Uranditellurid (UTe₂) ist ein solcher Sonderfall: Schon früher fiel die Verbindung durch ihre Supraleitung in starken Magnetfeldern auf. Doch wie sich ihre verschiedenen supraleitenden Phasen unter Druck zueinander verhalten, war umstritten. Ältere Phasendiagramme ließen drei Übergangslinien in einer Weise zusammentreffen, die den Gesetzen der Thermodynamik widerspricht.
Forscher der Cornell University um Prof. Brad Ramshaw haben das Verhalten von Uranditellurid deshalb mit präzisen Ultraschallmessungen untersucht. Sie setzten winzige Kristalle unter Druck und maßen, wie sich die Geschwindigkeit von Schallwellen bei unterschiedlichen Temperaturen und Magnetfeldern verändert. Solche Änderungen verraten Phasenübergänge, die mit anderen Methoden kaum zu erkennen sind.
Nahe 0,20 Gigapascal Druck und etwa 1,6 Kelvin entdeckte das Team eine zusätzliche Phasengrenze. Damit lösen sich die bisherigen Widersprüche auf: Statt eines thermodynamisch unmöglichen Treffpunkts dreier Übergänge ergibt sich ein tetrakritischer Punkt, an dem vier verschiedene Zustandsbereiche zusammentreffen. Einer dieser Bereiche enthält beide supraleitenden Ordnungen gleichzeitig.
„Das Wichtige an Uranditellurid ist, dass es zwei verschiedene Formen gleichzeitig zeigen kann“, erklärt Prof. Brad Ramshaw.
Besonders ungewöhnlich ist, was bei etwa 0,213 Gigapascal geschieht. Beim Abkühlen erscheint zunächst nahe 1,63 Kelvin die druckbegünstigte Phase SC2, bei 1,58 Kelvin kommt die Phase SC1 hinzu. Sinkt die Temperatur weiter bis auf ungefähr 1,0 Kelvin, verschwindet die SC2-Komponente wieder, obwohl die Probe durch SC1 weiterhin supraleitend bleibt.
Den entscheidenden Hinweis liefert ein Sprung der Schallgeschwindigkeit nach oben. Er kennzeichnet einen kontinuierlichen Phasenübergang, bei dem supraleitende Ordnung beim Abkühlen verloren geht. Damit ist nicht die gesamte Supraleitung aufgehoben, sondern nur einer der beiden gleichzeitig vorhandenen Zustände.
„Das kann hier geschehen, weil ein anderer supraleitender Zustand hinzukommt und ihn verdrängt“, erklärt Sahas Kamat.
Eine physikalische Modellrechnung erklärt die merkwürdige Abfolge durch die starke Konkurrenz der beiden Ordnungen. Die eine verdrängt die andere teilweise und kann deren Existenz bei tieferen Temperaturen ganz beenden. Zugleich koppeln sich die Phasen beider Ordnungen aneinander, wodurch bestimmte supraleitende Schwankungen unterdrückt werden.