Supraleiter ohne Inversionssymmetrie

Supraleitung ist ein makroskopisches Quantenphänomen, das auf Symmetrien des Festkörpers beruht. Im einfachsten Fall, in dem zwei Elektronen mit gegensätzlichen Spins ein Cooper-Paar formen (d.h., s-Wellen, Spin- Singlett Supraleitung) wird nur die Eichsymmetrie gebrochen. Alle Materialien, die diesem Typ angehören, sind konventionelle Supraleiter. Im Allgemeinen stellt die Zeitumkehrsymmetrie jene Bedingungen bereit, die Spin- Singlett Cooper-Paarung erfordert. Dagegen benötigt die Spin-Triplett Paarung noch zusätzlich Inversionssymmetrie. Die Abwesenheit eines Inversionszentrums, d.h., ein nicht-zentrosymmetrischer (NCS) Kristall sollte daher unvorteilhaft für das Auftreten von Spin-Triplett Supraleitung sein. Da die Parität in NCS Systemen nicht erhalten bleibt, können "reine" Spin-Singlett und Spin-Triplett Zustände nicht mehr geformt werden.

Die meisten der bekannten Supraleiter besitzen ein Inversionszentrum in ihrer Kristallstruktur. Die Eigenschaft der Parität erlaubt es dann, zwischen Spin-Singlett und Spin-Triplett Paarung im supraleitenden Kondensat zu unterscheiden. P. Anderson zeigte, dass Inversionssymmetrie notwendig ist, um Bedingungen für Spin-Triplett Paarung zu erhalten, so wie Zeitumkehrinvarianz für Spin-Singlett Paarung notwendig ist. Die Entdeckung von CePt3Si, als ersten nicht-zentrosymmetrischen (NCS) schweren Fermionen Supraleiter, zeigte allerdings Spin-Triplett Cooper Paare im Grundzustand. Diese Beobachtung, entgegen den Erwartungen, hat weltweit viele Forschungsanstrengungen ausgelöst. Das Fehlen einer Inversionssymmetrie in der Kristallstruktur bewirkt einen elektrischen Feldgradienten parallel zur NCS Kristallachse. Die resultierende antisymmetrische Spin-Bahn Kopplung (ASOC) führt im Weiteren zum Aufheben der zweifachen Spin Entartung der elektronischen Bänder. Elektronen auf diesen nicht-entarteten Bändern können dann Cooper Paare, entweder im Spin-Singlett oder im Spin-Triplett Kanal formen. Das Mischen von Cooper Paaren ist dann eine Folge der verletzten Parität. CePt3Si besitzt starke Korrelationen zwischen Elektronen, wie durch Wärmekapazitätsmessungen gezeigt wurde. Diese Korrelationen können sich mit der Wirkung von ASOC überlagern, so dass die ursprüngliche Triebfeder für die Unkonventionalität der Supraleitung nicht mehr eindeutig zugewiesen werden kann. Materialien mit solchen starken Korrelationen haben einen großen Wert der Coulomb Korrelationsstärke U, der einige eV betragen kann. Das Fehlen der Inversionssymmetrie führt zu neuartigen anormalen Spin-Fluktuationen, die den Spin-Triplett Teil des supraleitenden Kondensats stabilisieren, wogegen der Spin-Singlett Anteil aus zentrosymmetrischen Fluktuationen resultiert. Die anormalen Fluktuationen verschwinden in zentrosymmetrischen Systemen, werden aber durch die Coulomb Korrelationen verstärkt. Innerhalb dieses Szenarios bewirkt die Abwesenheit von Korrelationen die Abwesenheit solcher anormalen Fluktuationen und daher sollte Spin-Triplett Paarung nicht länger in einfachen NCS Systemen beobachtbar sein. Studien im Rahmen des FWF Projekts P22295 an Materialien ohne starke Elektronen Korrelationen zeigten, dass der supraleitende Grundzustand mit Hilfe von Singlett-Paarung (s-Wellen Supraleiter) gut beschrieben werden konnte und dass viele physikalische Eigenschaften durch die BCS Theorie ausreichend charakterisiert werden können. Die durch ASOC aufgespalteten Bänder besitzen jedoch Stellen, an denen Spin-Triplett Paarung möglich ist. Aus muSR Studien an BaPtSi3 und Mo3Al2C konnte gefolgert werden, dass die Zeitumkehrinvarianz (TRS) nicht verletzt wird, und damit, dass TRS Verletzung keine inhärente Eigenschaft von NCS Systemen ist. Insgesamt wurden im Rahmen des FWF Projekts P22295 etwa 10 neue Supraleiter gefunden und charakterisiert.