Quantenlicht in optischen Resonatoren verbessert die Supraleitfähigkeit von MgB₂

6. Dezember 2024

Forschende am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie haben einen wichtigen Fortschritt in der lichtgesteuerten Supraleitung erzielt. Ihre Studie zeigt, dass sich supraleitenden Eigenschaften verbessern lassen, indem Materialien mit Quantenlicht in optischen Resonatoren gekoppelt werden. Am Beispiel von Magnesiumdiborid (MgB₂), einem bekannten Supraleiter, konnten sie mit Hilfe der Quantenelektrodynamik-Dichtefunktionaltheorie (QEDFT) nachweisen, dass Photonenvakuumfluktuationen die Übergangstemperatur für Supraleitung erhöhen können.

Verstärkung der Supraleitung mit Photonenquantenfluktuationen: Hohlraumverstärkte Supraleitfähigkeit in MgB2. Die linke Seite veranschaulicht die Schlüsselfaktoren, die die Supraleitung in MgB2 beeinflussen, wie die Frequenz der E2g-Phononen (Vibrations-Raman-Moden) und die Wechselwirkung zwischen Elektronen und diesen Phononen, die die supraleitenden Lücken (∆) und die kritische Temperatur (Tc) bestimmen. Die rechte Seite zeigt, wie die Platzierung von MgB2 in einem optischen Hohlraum diese Wechselwirkungen verändert, was zu einer Erhöhung der kritischen Supraleitungs-Temperatur führt. — Verstärkung der Supraleitung mit Photonenquantenfluktuationen: Hohlraumverstärkte Supraleitfähigkeit in MgB₂. Die linke Seite veranschaulicht die Schlüsselfaktoren, die die Supraleitung in MgB₂ beeinflussen, wie die Frequenz der E_2g-Phononen (Vibrations-Raman-Moden) und die Wechselwirkung zwischen Elektronen und diesen Phononen, die die supraleitenden Lücken (∆) und die kritische Temperatur (T_c) bestimmen. Die rechte Seite zeigt, wie die Platzierung von MgB₂ in einem optischen Hohlraum diese Wechselwirkungen verändert, was zu einer Erhöhung der kritischen Supraleitungs-Temperatur führt.

© I-Te Lu

Verstärkung der Supraleitung mit Photonenquantenfluktuationen: Hohlraumverstärkte Supraleitfähigkeit in MgB₂. Die linke Seite veranschaulicht die Schlüsselfaktoren, die die Supraleitung in MgB₂ beeinflussen, wie die Frequenz der E_2g-Phononen (Vibrations-Raman-Moden) und die Wechselwirkung zwischen Elektronen und diesen Phononen, die die supraleitenden Lücken (∆) und die kritische Temperatur (T_c) bestimmen. Die rechte Seite zeigt, wie die Platzierung von MgB₂ in einem optischen Hohlraum diese Wechselwirkungen verändert, was zu einer Erhöhung der kritischen Supraleitungs-Temperatur führt.

© I-Te Lu

Das Team fand heraus, dass MgB₂, wenn es in einen optischen Resonator gebracht wird, durch die Wechselwirkung mit elektromagnetischen Vakuumfeldern eine deutliche Veränderung seiner elektronischen Struktur und phononischen Eigenschaften erfährt. Diese Wechselwirkungen beeinflussen insbesondere die kritische Temperatur (T_c) des Materials. Durch eine gezielte Wahl der Polarisation und des Modus des Resonators konnte die supraleitende T_c von MgB₂ um bis zu 10 % gesteigert werden. Diese Veränderung wird auf eine verstärkte Elektron-Phonon-Kopplung und eine Modifikation der Phononfrequenzen durch die Resonatorumgebung zurückgeführt.

„Unsere Ergebnisse sind ein entscheidender Schritt in Richtung der Entwicklung neuer, lichtgesteuerter Supraleiter und bieten einen unkonventionellen Ansatz zur Materialentwicklung durch Photonenvakuumfluktuationen in optischen Resonatoren“, erklärt Angel Rubio, ein Direktor des Max-Planck-Instituts und Leiter der Studie.

Die Studie stellt ein neues Konzept vor, bei dem grundlegende Materialeigenschaften durch die Wechselwirkung mit Licht im Gleichgewicht verändert werden, ohne dass externe Energie hinzugefügt oder das System gestört wird. Dies unterscheidet sich von herkömmlichen Ansätzen, die auf Faktoren wie Temperatur oder Druck setzen. Die Arbeit erweitert nicht nur das Verständnis von Licht-Materie-Wechselwirkungen, sondern bildet auch die Grundlage für „resonatorbasierte Materialentwicklung“ mit potenziellen Anwendungen in Elektronik, Quantentechnologie und mehr.

Diese Forschung eröffnet neue experimentelle Möglichkeiten und könnte die Entwicklung resonatorbasierter Materialien beschleunigen. „Die weitere Untersuchung solcher Materialien könnte neue, schwer erreichbare Eigenschaften ermöglichen und die Grenzen der Materialwissenschaft erweitern“, erklärt I-Te Lu, Erstautor der Studie und Postdoktorand in der Theorie-Abteilung.

Quantenlicht in optischen Resonatoren verbessert die Supraleitfähigkeit von MgB₂

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