Chinesische Physiker der Peking-Universität haben eine neue Phase in Supraleitern entdeckt, die genau mit der Grenze übereinstimmt, an der das Material auf der „linken Flanke“ des Temperatur-Druck-Diagramms plötzlich beginnt, Strom ohne Widerstand zu leiten.
Die Forscher Yu-Cheng Zhu, Jia-Xi Zeng und Xin-Zheng Li zeigten, dass diese Phase – die Quantenunordnung des Gitters – aus Quantenfluktuationen der Atomkerne entsteht. Anders als bei den üblichen Modellen, in denen den Elektronen die Hauptrolle zugeschrieben wird, erweist sich hier das Verhalten des Kristallgitters selbst als entscheidend.
Die Wissenschaftler wandten die Methode der Pfadintegrale in der Molekulardynamik an, um die Quantennatur der Kerne zu berücksichtigen. Die Berechnungen ergaben einen dreieckigen Bereich im Druck-Temperatur-Phasendiagramm, in dem das Gitter dank Quanteneffekten ungeordnet bleibt. Die linke Grenze dieses Bereichs fällt mit der Temperatur zusammen, bei der die Supraleitung einsetzt.
Besonders deutlich zeigt sich der Effekt in nickelhaltigen Materialien. Ersetzt man Wasserstoff durch Deuterium, verschiebt sich die Grenze der Quantenphase, und die maximale Supraleitungstemperatur fällt von 220 auf 160 Kelvin. Dies bestätigt den direkten Zusammenhang zwischen den Kernfluktuationen und dem Mechanismus der Elektronenpaarung.
Die Entdeckung verändert die Vorstellung von der Hochtemperatursupraleitung: Nun muss sie als gemeinsamer Quantenzustand von Elektronen und Gitter betrachtet werden. Bisher wurden Strukturdiagramme ohne Berücksichtigung der Vielteilcheneffekte der Kerne erstellt, was zu ungenauen Vorhersagen führte.
Die neue Phase liefert einen Anhaltspunkt für die Suche nach Materialien mit höheren Supraleitungstemperaturen und erklärt, warum die Supraleitung an der „linken Flanke“ der Kuppel abrupt abbricht.
