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Supraleiter: Energiefluss per Laser verfolgen

Unterhalb einer bestimmten Temperatur leiten Hochtemperatur-Supraleiter den elektrischen Strom widerstandslos und damit extrem effizient: Bisher ist nicht bekannt wie sie funktionieren. Nun ist es mittels Licht möglich, den Energiefluss im Material nachzuverfolgen.

Auf einem Kilometer ersetzt in Essen ein Supraleiterkabel in einem Pilotprojekt die konventionelle Erdleitung und benötigt nur etwa ein Zehntel der Spannung, um eine fünfmal so hohe Strommenge zu transportieren.

„Uns reicht es aber nicht zu wissen, dass es funktioniert“, erklärt Prof. Uwe Bovensiepen, Sprecher des Sonderforschungsbereichs Nichtgleichgewichtsdynamik kondensierter Materie in der Zeitdomäne und Mitglied im Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE). Ein Forscherteam aus Deutschland, Japan und den USA möchte solche komplexen Materialien verstehen. Dazu bedienen sich die Wissenschaftler der sogenannten Laser-Stroboskoptechnik: Mit kurzen intensiven Lichtpulsen („Pump“-Laser) von nur wenigen Billiardsteln einer Sekunde regen sie das Material an und fragen das Ergebnis mit leicht verzögert abgegebenen Laserpulsen („Probe“-Laser) ab. Dadurch machen sie den Energiefluss sichtbar wie in einem Film, der aus lauter eingefrorenen Einzelbildern besteht – von der Anregung bis zurück zu dem Moment, in dem der Ausgangszustand wieder erreicht ist.

Diese Methode, bekannt als zeit- und winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (time-resolved, angle-resolved photoelectron spectroscopy, tr-ARPES), in Kombination mit komplexen theoretischen Simulationen und Analyse, erlaubte es dem Team, die Reihenfolge und die energetischen Signaturen verschiedener Arten von Elektronenwechselwirkungen herauszufiltern. So gelang es ihnen, eindeutige Signale von Wechselwirkungen zwischen angeregten Elektronen (welche sich schnell abspielen, aber nicht viel Energie zerstreuen) sowie später stattfindenden zufälligen Wechselwirkungen zwischen Elektronen und den Atomen des Kristallgitters (welche Reibung erzeugen und zu schrittweisem Energieverlust in Form von Wärme führen) zu selektieren.

Dabei wurde erstmals eine besondere Wechselwirkung bemerkt, bei der angeregte Elektronen und die Atome in der gleichen Frequenz miteinander schwingen. Noch ist nicht bekannt, welchen Einfluss dieser Zustand auf die elektrischen Eigenschaften des Supraleiters hat. Dies soll im nächsten Schritt herausgefunden werden.

Originalveröffentlichung:
[J. D. Rameau, S. Freutel, A. F. Kemper, M. A. Sentef, J. K. Freericks, I. Avigo, M. Ligges, L. Rettig, Y. Yoshida, H. Eisaki, J. Schneeloch, R. D. Zhong, Z. J. Xu, G. D. Gu, P. D. Johnson, U. Bovensiepen, Energy Dissipation from a Correlated System Driven Out of Equilibrium, Nature Communications 7 (2016), DOI: 10.1038/NCOMMS13761]

www.uni-due.de

www.mpsd.mpg.de

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