Eine Strategie zur Verbesserung der lichtgesteuerten Supraleitung von K₃C₆₀

Unter Supraleitung versteht man die Fähigkeit einiger Materialien, elektrischen Gleichstrom (DC) nahezu ohne Widerstand zu leiten. Diese Eigenschaft ist für verschiedene technologische Anwendungen sehr gefragt und vorteilhaft, da sie die Leistung verschiedener elektronischer und Energiegeräte steigern könnte.

In den letzten Jahren haben Physiker und Materialwissenschaftler der kondensierten Materie versucht, Strategien zur Verbesserung der Supraleitung bestimmter Materialien zu finden. Hierzu zählt auch das Material K₃C₆₀ein organischer Supraleiter, der nachweislich in eine Phase übergeht, die durch einen Nullwiderstand gekennzeichnet ist, wenn optische Impulse im mittleren Infrarotbereich darauf angewendet werden.

Forscher des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie, der Università degli Studi di Parma und der Universität Oxford haben nun eine Strategie zur Verbesserung der lichtinduzierten Supraleitung von K identifiziert₃C₆₀. Diese Strategie, beschrieben in Naturphysikhat bisher sehr vielversprechende Ergebnisse erbracht und die Photosuszeptibilität dieses supraleitenden Materials um zwei Größenordnungen erhöht.

„Wir erforschen seit etwa einem Jahrzehnt die Möglichkeit, Licht zur Verbesserung der Supraleitung zu nutzen, ausgehend von einem Gleichgewichtszustand bei einer Basistemperatur über Tc“, sagte Andrea Cavalleri, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. „Wir haben gezeigt, dass dies in einigen Cupraten, in bestimmten Ladungstransfersalzen und in K funktioniert₃C₆₀.”

„In diesem Artikel haben wir den Mechanismus untersucht, der dem K zugrunde liegt₃C₆₀ optisch induzierte Supraleitung mithilfe einer speziellen optischen Quelle, die viel besser abstimmbar ist als die bisher verwendete und eine Frequenz von 10 THz erreicht.“

Cavalleri und sein Forschungsteam haben die Supraleitung von K erforscht₃C₆₀ schon seit ein paar Jahren. In ihren vorherigen Experimenten konnten sie die supraleitende Phase dieses Materials mit Anregungsphotonenenergien zwischen 80 und 165 meV (20–40 THz) realisieren.

In ihrer neuen Studie wollten sie die Anregung im Material bei niedrigeren Energien zwischen 24 und 80 meV (6–20 THz) untersuchen und verwendeten dabei eine Strategie, die ihnen bisher nicht zugänglich war. Dies erreichten die Forscher mit einer Terahertz-Quelle, die schmalbandige Impulse erzeugt, indem sie die Nahinfrarot-Signalstrahlen zweier unterschiedlicher phasenstarrer optischer parametrischer Amplituden kombiniert.

„Die zugrunde liegende Physik ist noch nicht klar, aber das Experiment zielt auf ausgewählte molekulare Schwingungen ab, die bei ihrer Resonanzfrequenz direkt zu großen Verstärkungen angetrieben werden“, sagte Cavalleri. „Die angetriebenen Schwingungen scheinen mit den elektronischen Zuständen zu koppeln und die Paarung und Kohärenz zu verstärken, die zur Supraleitung führen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass dieser Effekt besonders gut bei 10 THz funktioniert, wo eine bestimmte molekulare Schwingung auftritt.“

Die jüngste Arbeit von Cavalleri und seinen Mitarbeitern wirft ein neues Licht auf die möglichen Mechanismen, die der photoinduzierten Supraleitung in K zugrunde liegen₃C₆₀ und möglicherweise andere Supraleiter. Darüber hinaus wird eine Strategie vorgestellt, die dazu beitragen könnte, die photoinduzierte Supraleitung über längere Zeiträume zu verlängern, was interessante Auswirkungen auf die Entwicklung lichtgetriebener Quantentechnologien haben könnte.

„Wir haben einen supraleitenden Zustand mit einer Lebensdauer von 10 ns bei Raumtemperatur festgestellt“, fügte Cavalleri hinzu. „Im Prinzip könnte dies für zukünftige lichtbetriebene Quantengeräte verwendet werden. Wir wollen die Eigenschaften dieses Übergangszustands untersuchen, insbesondere die magnetischen Eigenschaften, und wir werden versuchen, die Eigenschaften der photoinduzierten Phase mit denen des Gleichgewichts zu vergleichen.“ SC.”