Internationales Team forscht an exotischen Supraleitern
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Angefangen hat alles 1911 mit der Entdeckung, dass bestimmte Metalle bei extrem tiefen Temperaturen, nahe des absoluten Nullpunkts von rund minus 273 Grad Celsius, Eigenschaften aufweisen, die sie oberhalb dieser Temperaturen nicht haben: Sie leiten Strom absolut widerstandsfrei. Materialien, die sich derart verhalten, werden seitdem Supraleiter genannt. 1986 entdeckten Physiker, dass es auch Hochtemperatur-Supraleiter gibt, deren Sprungtemperatur deutlich höher liegt als in der Nähe des absoluten Nullpunkts. Der Begriff Hochtemperatur bedeutet in diesem Fall, dass diese Materialien den Strom schon bei minus 196 Grad Celsius widerstandsfrei leiten. Warum dies der Fall ist, weiß die Wissenschaft aber noch nicht genau.
Neues Projekt für stabile Hochtemperatur-Supraleiter
Um die Prozesse in Supraleitern besser zu verstehen und perspektivisch Materialien zu entwickeln, die eine Anwendung bei weniger kalten Temperaturen möglich machen, braucht es mehr Grundlagenforschung. An dieser Stelle kommen der Physiker JProf. Benedikt Fauseweh von der TU Dortmund und die Mathematiker Dr. Andreas Buchheit von der Universität des Saarlandes, Dr. Torsten Keßler von der TU Eindhoven und Prof. Kirill Serkh von der Universität Toronto ins Spiel. Gemeinsam möchten sie im neuen Projekts genauer verstehen, was im Inneren eines Hochtemperatur-Supraleiters vor sich geht, damit Strom widerstandsfrei durch ihn hindurchfließen kann.
„Supraleiter sind eine einzigartige Materialklasse, aber insbesondere Hochtemperatur-Supraleiter sind in vielen Aspekten noch nicht verstanden“, erläutert JProf. Benedikt Fauseweh (Foto rechts), der mit seiner Gruppe an der Fakultät Physik der TU Dortmund theoretische Beschreibungen von Supraleitern entwickelt. „Unter anderem schauen wir uns so genannte topologisch nicht triviale Phasen an“, ergänzt Dr. Andreas Buchheit, der gemeinsam mit seinen Kollegen bereits einige Vorarbeiten auf diesem Gebiet geleistet hat.
Die Forscher bewegen sich im Grenzbereich der bisher bekannten Physik, den sie mithilfe der Mathematik weiter ausdehnen wollen. „Wir tasten uns mathematisch Stück für Stück vor, um neue physikalische Mechanismen zu identifizieren, welche die kritische Temperatur von Supraleitern erhöhen können“, so Buchheit. Er umschreibt, was mit „topologisch nicht trivialen Phasen“ gemeint ist: „Vergleichbar sind solche Zustände mit einem Knoten, der in einen Faden gemacht wird. Wackele ich anschließend am Faden, bleibt der Knoten trotzdem erhalten und geht nicht auf, es sei denn, man zieht an der richtigen Stelle. Ebenso verhält es sich in solchen Materialien: ‚Wackele‘ ich an ihnen, störe also das System, bleiben sie bis zu einem gewissen Grad der Störung dennoch stabil.“
Auf dem Weg zu stabileren Qubits
Den Supraleiter so zu gestalten, dass er sich verhält wie der metaphorische Knoten und trotz äußerer Einflüsse relativ stabil bleibt, ist eine große Herausforderung. Denn die Qubits, also die Recheneinheiten, die den Bits in einem herkömmlichen Computer entsprechen, sind derart empfindlich, dass bereits eine winzigste Störung den Quantenzustand zerstört. Von topologischen Supraleitern versprechen sich die Wissenschaftler mehr Stabilität.
In vorherigen Arbeiten haben die Forscher gezeigt, dass Wechselwirkungen zwischen Elektronen über lange Distanzen genau zu einem solchen Effekt führen können, die den Supraleiter stabilisieren. Diese Erkenntnisse sollen nun weiterentwickelt werden, um effiziente Simulationen von exotischen Supraleitern am Computer zu ermöglichen, welche mit bisherigen Methoden nicht erreichbar waren. Für dieses Ziel sind ausgefeilte mathematische Operationen nötig: „In Simulationen zeigen sich die physikalisch wünschenswerten ‚Knoten‘ als mathematische Singularitäten. Deren numerische Behandlung bedarf maßgeschneiderten Methoden und Algorithmen, die zuverlässig solche Zustände aufspüren und erhalten“, fügt Dr. Torsten Keßler hinzu. Er ist auf großskalige Rechnungen im Bereich von Quantensystemen spezialisiert.
„Moderne Quantencomputer auf Basis von Supraleitern haben immer noch viele Nachteile, die auf Materialprobleme zurückgeführt werden können. Um diese Probleme zu beheben, brauchen wir ein fundamentales Verständnis von Supraleitern“, erläutert JProf. Benedikt Fauseweh. Materialien, die Strom ohne jeglichen Widerstand passieren lassen, spielen im Quantencomputing eine entscheidende Rolle. Sie bilden die Grundlage für Qubits in modernen Quantencomputern. Wenn man nun wüsste, wie sich ein Material bei höheren Temperaturen – also weniger Kühlungsaufwand – gezielt zum Supraleiter machen ließe, wäre man stabileren Quantenzuständen einen guten Schritt nähergekommen. Um das Bild von Dr. Andreas Buchheit zu verwenden: Der Knoten im Faden wäre deutlich fester.
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