Supraleitung, die es eigentlich nicht geben sollte?

Das Material UTe₂ zeigt mehrere Formen von null elektrischem Widerstand – ein Phänomen, das als Supraleitung bekannt ist – und hat eine Reihe rätselhafter Eigenschaften. Nachdem UTe₂ seine Supraleitung bei einem bestimmten Magnetfeld verliert, wird es bei wesentlich höheren Feldern wieder supraleitend. Mit einer neuen Messmethode für starke Magnetfelder haben Wissenschafter:innen vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) dieses ungewöhnliche supraleitende Verhalten in einem Artikel in Nature Communications erklärt. Ihre Methode wird nun weltweit von Hochfeld‑Magnetlaboren übernommen.

Quantematerialien weisen exotische Eigenschaften auf, die sie für künftige Technologien besonders interessant machen. Während manche Forscher:innen gezielt bestimmte Eigenschaften für Anwendungen wie Quantencomputing untersuchen, sind andere rein von Neugier angetrieben und suchen nach Wissen, das noch in keinem Lehrbuch steht. Solches Wissen lässt sich oft erst nach Jahren oder Jahrzehnten anwenden – doch der Erkenntnisgewinn selbst ist bereits ein großer Lohn.

Eines dieser Materialien, das das Lehrbuchverständnis der Wissenschafter:innen herausfordert, ist Uran‑Ditellurid, entdeckt im Jahr 2019. Uran‑Ditellurid, auch bekannt als UTe₂, ist ein Supraleiter – also ein Material, das elektrischen Strom ohne Widerstand leitet. Doch nicht alle Supraleiter sind gleich: Manche, wie UTe₂, nennt man „unkonventionelle Supraleiter“. Aber selbst unter diesen scheint UTe₂ eine eigene Kategorie zu bilden. Sein verborgener Null‑Widerstands‑Zustand erscheint bei extrem hohen Magnetfeldern wieder, nachdem das Material seine ursprüngliche Supraleitung bei niedrigeren Feldern verloren hat.

Wie unkonventionell kann ein Material sein?

Konventionelle Supraleiter werden nur bei extrem niedrigen Temperaturen supraleitend und verlieren diesen Zustand in Magnetfeldern. UTe₂ hingegen wird bei extremen Magnetfeldern zwischen 40 und 70 Tesla wieder supraleitend, nachdem die Supraleitung um etwa 10 Tesla verschwindet. Zum Vergleich: Ein Tesla entspricht ungefähr der Magnetkraft, die ausreichen würde, um ein Auto auf einem Schrottplatz anzuheben.

Wie Supraleitung bei konventionellen Supraleitern bei solchen niedrigen Temperaturen entsteht, ist gut verstanden: Schwingungen im Kristallgitter führen dazu, dass sich Elektronen zu Paaren verbinden, die sich widerstandsfrei bewegen. Dieser Mechanismus erklärt jedoch das Verhalten unkonventioneller Supraleiter wie UTe₂ nicht. „Bislang gingen Forschende davon aus, dass etwas Magnetisches hinter der Supraleitung unkonventioneller Supraleiter steckt“, erklärt Modic. Tatsächlich sind UCoGe und URhGe, zwei mit UTe₂ verwandte unkonventionelle Supraleiter, selbst magnetisch. Diese Materialien haben somit einen Grund, supraleitend zu sein.

„Der Haken ist aber, dass UTe₂ nicht magnetisch ist – auf den ersten Blick ist also gar nicht ersichtlich, warum dieses Material einen so besonderen supraleitenden Zustand zeigt.“

Unter den bisher drei entdeckten Null‑Widerstands‑Zuständen von UTe₂ hat das Phänomen der sogenannten „reentranten Supraleitung“, bei dem die Supraleitung bei extrem hohen Magnetfeldern erneut auftritt, die Forscher:innen am meisten verblüfft. Zudem existiert dieser Zustand nur, wenn das Magnetfeld innerhalb des Kristalls in einer sehr spezifischen Richtung ausgerichtet ist – und das bei Temperaturen, die kälter sind als im Weltall. „Auch wenn es andere unkonventionelle Supraleiter gibt, lässt UTe₂ das Wort ‚unkonventionell‘ fast untertrieben wirken“, sagt Modic.

Ein wenig Rütteln eröffnet eine neue Welt im Inneren des Materials

Um besser zu verstehen, wie diese besondere Supraleitung in UTe₂ entsteht, wollte das Team untersuchen, was passiert, kurz bevor die reentrante Supraleitung einsetzt – also bevor das Material bei hohen Magnetfeldern wieder supraleitend wird. In sogenannten Pulsed Field-Anlagen können sie ihre Proben extrem kurzen Magnetfeld‑Impulsen aussetzen, bei denen sich das Magnetfeld innerhalb einer Zehntelsekunde von 0 auf 60 Tesla und wieder zurück verändert – so schnell wie ein Wimpernschlag. Ihr Ziel: Herauszufinden, ob dieser Zustand auf magnetische Fluktuationen im Material zurückzuführen ist – ein Phänomen, das theoretisch Supraleitung bei hohen Magnetfeldern erklären könnte.

Extreme Bedingungen ermöglichen es zwar, dass Quantenmaterialien ihre ungewöhnlichen Eigenschaften zeigen, doch um zu verstehen, wie sie entstehen, braucht es oft einen kleinen ‚Anstoß‘. „Wir haben eine Methode entwickelt, mit der wir die Probe unter extremen Magnetfeldern untersuchen können, indem wir sie kontrolliert schütteln“, sagt Zambra. Sie erklärt weiter: „Wir befestigen die Probe auf einem winzigen Hebel, um sie im Magnetfeld zu bewegen und leicht zu schütteln. Aus Sicht des Kristalls scheint dadurch das Magnetfeld schnell zu schwingen. So können wir die Magnetisierung bei einem sich schnell ändernden Feld prüfen. Damit messen wir eine wichtige Eigenschaft – die sogenannte transversale magnetische Suszeptibilität – die zuvor unter diesen Bedingungen noch niemand untersucht hat.“

Mit dieser Technik entdeckte das Team in UTe₂ einen Bereich mit besonders großer transversaler magnetischer Suszeptibilität, der vermutlich als ‚Klebstoff‘ zwischen den Elektronen des Materials wirkt – und damit die Ursache für die Supraleitung unter so starken Magnetfeldern liefert, erklären Zambra und Modic.

ISTA‑Methode in Hochfeld‑Magnetlaboren weltweit übernommen

Das Team betont die Bedeutung der Methode, um die Eigenschaften dieses ungewöhnlichen Quantenmaterials zu analysieren. Konkret verwenden sie Proben, die kleiner sind als ein Sandkorn, wodurch sie makellose Stücke des Materials messen können. Die Gruppe verfügt über besondere Erfahrung in der Herstellung und Handhabung so winziger Proben. „Solch kleine Proben – etwa so dick wie ein menschliches Haar – zu messen ist besonders herausfordernd, aber genau darauf ist unsere Gruppe spezialisiert. Viele andere Methoden lassen sich nur bei größeren Kristallen anwenden, doch Valeskas Verfahren, das in unserer Gruppe am ISTA entwickelt wurde, hat den zusätzlichen Vorteil, dass es auch in hohen Magnetfeldern funktioniert, wo die vorhandenen Messmethoden bereits sehr eingeschränkt sind“, sagt Modic. „Deshalb haben sich Hochfeld‑Magnetlabore bereits an Valeska gewandt, um gemeinsam daran zu arbeiten, diese Technik an ihren Anlagen weiter zu etablieren.“

Zambra und Modic unterstreichen den grundlegenden Charakter ihrer Forschung: Bevor man mögliche Anwendungen untersucht, müsse man diese neuen Materiezustände vollständig verstehen. „Oft erkennen Wissenschafter:innen den Nutzen einer Entdeckung erst viele Jahre oder Jahrzehnte später.  Die zufällige Entdeckung der Supraleitung vor mehr als hundert Jahren führte schließlich zur Entwicklung der MRT als medizinische Bildgebungsmethode“, erklärt Zambra. Modic schließt: „Vielleicht sehen wir hier eine völlig neue Art von Supraleitung, für die wir uns noch gar keine Anwendungen vorstellen können. Ob sie eines Tages nützlich sein wird? Ich weiß es nicht. Aber es ist ein Rätsel – und Rätsel sind es wert, erforscht zu werden.“

Weiterführende Lektüre: „Big magnets and superconductors reinforce one another, yet again!“ – ein populärwissenschaftlicher Artikel von Kimberly Modic und Valeska Zambra, veröffentlicht bei EDMA (europeandissemination.eu)

Publikation:

Valeska Zambra, Amit Nathwani, Muhammad Nauman, Sylvia K. Lewin, Corey E. Frank, Nicholas P. Butch, Arkady Shekhter, B. J. Ramshaw, and K. A. Modic. 2026. Giant transverse magnetic fluctuations at the edge of re-entrant superconductivity in UTe₂. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-026-71899-7

Projektförderung:

Dieses Projekt wurde unterstützt durch Mittel aus dem Europäischen Forschungsrat (ERC Starting Grant 101078696‑TROPIC), dem Office of Basic Energy Sciences des U.S. Department of Energy (Fördernummer DE‑SC0020143), der National Science Foundation (NSF/DMR‑2128556 und DMR‑2105191), dem Bundesstaat Florida, dem U.S. Department of Energy sowie dem DOE/BES‑Programm „Science of 100 T“. Die Autor:innen danken der ISTA Nanofabrication Facility für technische Unterstützung und Downtown Subscription in Santa Fe (NM).