Cooper-Paare beeinflussen normale Metalle

Vor kurzem habe ich mich ja mit dem Phänomen der Spuraleitung auseinandergesetzt. Im Wesentlichen basiert die perfekte Leitfähigkeit auf Cooper-Paaren, das sind Zustände, in denen sich zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin zu einem Verbund zusammenschließen und quasi zu einem Teilchen werden, das plötzlich ganz andere Eigenschaften hat.

Wichtig dabei: Die Ausdehnung des Paares ist groß im Vergleich zur Gittergröße des Festkörpers, durch den sie sich bewegen, im Bereich bis zu einigen 100 nm (Nanometern). Und die Paarelektronen sind nicht-lokal verschränkt, das heißt sie müssen sich nicht austauschen um sich kohärent (das heißt übereinstimmend, gleichartig) zu verhalten.

Daher ist mir jetzt ein Paper in Nature Physics ins Auge gefallen (siehe Zitat am Ende des Artikels, hier das PDF von der Institutsseite), in dem die Forscher aus Evanston in Illinois gemessen haben, ob und wie ein Cooper-Paar in ein normales Metal wandern kann, und gezeigt dass man dort die Kohärenz nachweisen kann. Man denke sich einen Supraleiter und gekreuzt daraufgelegt zwei normal leitende Metalle, in einem Abstand zueinander der unter der Größe eines Cooper-Paares liegt. Die Effekte, durch den Supraleiter und die Cooper-Paare auftreten, hat man gezeigt, aber das neue Paper kann auch messen, dass das Verhalten der Elektronen kohärent ist, also das eine dem Verhalten des anderen folgt.

Effekte

Jetzt hab ich mich im letzten Satz ein bißchen kompliziert ausgedrückt, denn ich muss nun erst sagen dass es zwei Effekte gibt die auftreten können. Beim ersten, der “crossed Andreev reflection” (CAR), trennt sich ein Cooper-Paar auf und jedes der Elektronen geht seiner Wege in einen der beiden Normalleiter.

Der zweite Fall ist das elastische Kotunneln. Als “tunneln” bezeichnet man in der Quantenphysik, wenn ein Teilchen eine Entfernung überwindet, ohne sich hinzubewegen. Also als wenn ich jetzt vor einer wand stehen würde, und im nächsten Aaugenblick dahinter wäre. Ich kann das nicht, Elektronen schon. So entsteht z.B. auch alpha-Strahlung, da tunnelt ein Heliumkern aus einem schwereren Atomkern heraus!

Aber bei den Leitern mit der Supraleiterbrücke versteht man unter “elastischem Kotunneln” den weiten Tunnelsprung eines Elektrons in den anderen Leiter, vermittelt über die Cooper-Paare im Supraleiter.

Versuchsanordnung

Ich habe mal versucht, die Versuchsanordnung vereinfacht zu skizzieren:

Die schwarze Schleife ist der Supraleiter, die aber durch eine Seite Normalleiter (gold) geschlossen wird. Dann gibt es den blauen Normalleiter, der 110 nm neben dem Schleifen-Normalleiter liegt. Die ganze Schleife ist etwa 2µm im Durchmesser.

Man kann jetzt die Spannung zwischen Supraleiter und den Normalleitern messen. Die Idee, die Kohärenz zu belegen besteht jetzt darin, dass man der Spannung an dem goldenen Draht eine zeitliche Änderung auferlegt. Tritt jetzt einer der Effekte auf, die über Cooper-Paare Elektronen in beiden Normalleitern aneinander koppeln, müsste auch das Spannungssignal im blauen Draht diese Änderung zeigen.

Experiment

Die zeitliche Änderung erreicht man durch ein äußeres, zeitlich änderliches Magnetfeld durch die Spule. Dies induziert Strom in der Schleife und bewirkt so, dass sich auch die Spannung an der Grenze Supraleiter-goldener Draht zeitlich ändert.

Und die Messungen am blauen Draht sehen auch diese Änderung! Allerdings ist die Amplitude um einen Faktor 6 geringer, aber das sei auch zu erwarten gewesen, da man eine Abschwächung des Effektes mit der Distanz erwartet und der Abstand der Normalleiter im Bereich einer Cooper-Paar-Länge lag.