Nicht nur eine Phase…

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Supraleiter können nicht nur Strom widerstandsfrei leiten und sind bei hohen Magnetfeldern gefragt. Auch für die Grundlagenforschung sind sie ein idealer Spielplatz, auf dem Physiker:innen Theorien für fundamentale physikalische Phänomene testen. In einer Kooperation des MLZ mit dem Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble untersuchte Xaver Brems mithilfe von Supraleitern, wie verschiedene Phasen in einem Festkörper miteinander verkettet sind.

Schematischer Aufbau des Experimentes. Die einfallenden Neutronen streuen an den Flusschläuchen und geben ein Streumuster aus dem Xaver Brems ableiten kann, wie die Domänen angeordnet sind. Der Strom wird senkrecht zu den Flusschläuchen angelegt. © Reiner Müller / FRM II
Xaver Brems baut seine Probe in den Kryostaten ein, um die Supraleitende Phase zu erreichen. Technisch besteht die Herausforderung darin, stabile Temperaturen trotz der sehr hohen angelegten Stromstärke zu erreichen. © FRM II / TUM

Mit Phase bezeichnet man in der Physik die verschiedenen Zustände, in denen sich Materie befinden kann. Wasser, zum Beispiel, befindet sich abhängig von Druck und Temperatur in der flüssigen, gasförmigen oder festen Phase. Unter bestimmten Umständen können diese Phasen auch gleichzeitig existieren.

… sondern zwei gleichzeitig

Auch bei bestimmten Supraleitern, sogenannte Typ II Supraleiter, kann es zwei Phasen geben, die unter geeigneten Bedingungen koexistieren. Diese unterscheiden sich im Gegensatz zu Wasser nicht in ihrem Aggregatszustand, sondern in der Art, wie sie auf äußere Magnetfelder reagieren. Denn neben ihrer Fähigkeit elektrischen Strom verlustfrei zu leiten, zeichnen sich Supraleiter durch die Art aus, wie sie äußere Magnetfelder abschirmen.

Je nach Phase bewerkstelligen sie das auf zwei unterschiedliche Arten. Unterhalb einer gewissen Magnetfeldstärke befindet sich ein Typ II Supraleiter in der Meißner Phase und schirmt das äußere Magnetfeld vollständig ab. Man spricht auch vom perfekten Diamagneten. Bei stärkerer Feldstärke wechselt er in die so genannte Mischphase und das Magnetfeld kann zwar eindringen, ist jedoch in regelmäßig angeordneten schlauchartigen Strukturen gefangen. In diesen Flussschläuchen fließt Strom und das Magnetfeld kann nur bestimmte Werte annehmen und ist damit quantisiert. Bei bestimmten Materialien wie etwa Niob und bei den passenden Temperaturen und der richtigen Magnetfeldstärke koexistieren beide Phasen im Supraleiter und man spricht vom gemischten Zwischenzustand (engl.: intermediate mixed state). Dabei bilden sich mehrere abgeschlossene Bereiche aus, so genannte Domänen, in denen jeweils nur eine Phase vorliegt.

Supraleiter als ideales Labor für Domänenphysik

In seiner Veröffentlichung hat Xaver Brems gemeinsam mit Physiker:innen der Technischen Universität München (TUM) und dem ILL untersucht, wie sich diese Domänen bei Stromfluss selbst organisieren. Unterstützt wurden sie dabei auf theoretischer Seite von einem internationalen Team aus Deutschland, Russland und Brasilien. Dazu haben sie die Lorentzkraft ausgenutzt, die auf bewegte Ladungen wirkt, wenn sich diese in einem Magnetfeld bewegen. Denn der Strom (also bewegte Ladungen) kann nur innerhalb der Mischphase und an der Oberfläche der Probe fließen und damit spüren nur Flussschläuche und die Domänen in der Mischphase die Lorenzkraft. Dadurch, dass die Lorentzkraft aber senkrecht zum Strom und Magnetfeld auf die Flussschläuche wirkt, ergibt sich ein interessantes Szenario, bei dem eine zum Strom senkrechte Kraft auf eine der beiden Domänen in einem inhomogenen Zweiphasensystem wirkt.

„Mit dieser Arbeit wollten wir testen, ob wir einen Supraleiter im gemischten Zwischenzustand als Labor für allgemeine Untersuchungen in der Domänenphysik nutzen können“, erklärt Xaver Brems. „Das größte technische Hindernis war es, die millimeterdünne streifenförmige Niob Probe auf einer konstanten Temperatur von 4 Grad über dem absoluten Nullpunkt zu halten, während wir gleichzeitig fünf Mal mehr Strom durchschicken als in einer haushaltsüblichen Steckdose abgesichert ist. Dabei musste der Messaufbau es gleichzeitig ermöglichen Neutronenkleinwinkelstreuexperimente durchzuführen“, fährt er fort.

Gemeinsame Doktorandenstelle am MLZ und ILL

Der Versuch war ein großer Erfolg und die Ergebnisse stimmen Xaver Brems und seine Betreuer Dr. Sebastian Mühlbauer (MLZ) und Dr. Robert Cubitt (ILL) sehr zuversichtlich. „Wir haben mithilfe der Neutronenkleinwinkelstreuung am ILL gesehen, dass sich die zuvor ungeordneten Domänen in der Mischphase durch Anlegen des Stroms senkrecht zum Stromfluss anordnen und sich dabei eine Art Streifenmuster ausbildet“, verkündet Sebastian Mühlbauer zufrieden.

Auch aus Kooperationssicht war das Projekt ein voller Erfolg. Xaver Brems setzt seine Forschung aus der Masterarbeit gemeinsam mit Sebastian Mühlbauer und Robert Cubitt in einer von beiden Instituten gemeinsam getragenen Doktorandenstelle fort. Und es gibt noch viel zu tun: „Als nächstes wollen wir genauer den Einfluss verschiedener Magnetfeldstärken untersuchen und besser verstehen, wie der Strom für verschiedene Flächenverhältnisse der Domänen zwischen den einzelnen Domänen der Mischphase hindurch transportiert wird“, beschreibt Xaver Brems seine Pläne.

 

Originalpublikation:
Current-induced self-organisation of mixed superconducting states. Xaver S Brems, Sebastian Mühlbauer, Wilmer Y Córdoba-Camacho, Arkady A Shanenko, Alexei Vagov, José Albino Aguiar and Robert Cubitt. Superconductor Science and Technology, Volume 35, Number 3 (2022) IOP Publishing Ltd. DOI: 10.1088/1361-6668/ac455e

Weitere Informationen:
Die Messungen wurden an der Kleinwinkelstreuanlage D33 am ILL in Grenoble durchgeführt. Auf der theoretischen Seite waren die Physik Departments der Bundesuniversität von Pernambuco in Brasilien, der HSE Universität in Moskau und das Institut für theoretische Physik III der Universität in Bayreuth beteiligt.