Thomas-Fermi screening of electrostatic fields in a type-I superconductor
Durch den Einsatz von qPlus-Rasterkraftmikroskopie und Rastertunnelmikroskopie an Einkristallen von Pb(111) demonstriert diese Studie experimentell, dass die elektrostatische Abschirmung in einem Typ-I-Supraleiter weiterhin durch die Thomas-Fermi-Länge anstatt durch die London-Eindringtiefe bestimmt wird, wodurch die alternative Theorie von J. E. Hirsch widerlegt und bestätigt wird, dass die longitudinale Antwort beim Übergang in den supraleitenden Zustand unverändert bleibt.
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Seit fast einem Jahrhundert verlassen sich Physiker auf eine Reihe von Regeln, um zu beschreiben, wie sich Supraleiter verhalten. Diese Materialien, die Elektrizität ohne jeglichen Widerstand leiten, sind berühmt dafür, Magnetfelder auszutreiben, ein Phänomen, das als Meißner-Effekt bekannt ist. Dieser Ausstoß geschieht, weil der Supraleiter einen Schild erzeugt, der die magnetischen Feldlinien wegdrückt, jedoch nur über eine spezifische Distanz, die als London-Penetrationstiefe bezeichnet wird. Über Jahrzehnte hinweg war die Standardansicht, dass Supraleiter zwar sehr gut darin sind, Magnetfelder zu blockieren, sie aber nicht beeinflussen, wie sie mit statischen elektrischen Feldern umgehen. Diesem traditionellen Verständnis zufolge wird ein elektrisches Feld in der Nähe eines Supraleiters über eine unglaublich kurze Distanz abgeschirmt oder blockiert, etwa über die Breite eines einzelnen Atoms, genau wie in einem normalen Metall. Jedoch schlug vor einigen Jahren ein Physiker namens J. E. Hirsch eine andere Idee vor. Er deutete an, dass die Regeln, die bestimmen, wie ein Supraleiter elektrische Felder blockiert, dieselben sein könnten wie die für Magnetfelder. Wäre seine Theorie korrekt, würde die Distanz, über die ein Supraleiter ein elektrisches Feld blockiert, plötzlich viel länger werden, wenn das Material abkühlt und supraleitend wird – sie würde sich von der Breite eines Atoms zu einer Distanz ändern, die tausendfach größer ist. Diese Möglichkeit entfachte eine Debatte, da dies bedeuten würde, dass unser grundlegendes Verständnis darüber, wie diese Materialien funktionieren, umgeschrieben werden müsste, mit potenziellen Konsequenzen für zukünftige elektronische Geräte, die darauf basieren, Supraleiter mit elektrischen Feldern zu steuern.
Ein Team von Forschern der University of Nottingham beschloss, diese Frage zu klären, indem sie direkt die Oberfläche eines Supraleiters untersuchten. Sie wählten einen Einkristall aus Blei, einem Metall, das supraleitend wird, wenn es auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt wird. Um die konkurrierenden Ideen zu testen, mussten sie messen, wie das Material auf ein winziges elektrisches Feld direkt an seiner Oberfläche reagierte. Sie verwendeten ein hochempfindliches Instrument namens Rastertunnelmikroskop, das die Kräfte zwischen einer scharfen Spitze und einer Oberfläche fühlen und auch den Fluss von Elektronen messen kann. Die Forscher kühlten ihre Blei-Probe auf etwa 340 Millikelvin ab, eine Temperatur, die so kalt ist, dass sie nur fünf Prozent des Punktes erreicht, an dem Blei normalerweise supraleitend wird. Bei dieser Temperatur befindet sich das Material fest in seinem supraleitenden Zustand. Um diesen Zustand mit einem normalen zu vergleichen, legten sie ein Magnetfeld von 200 Millitesla auf die Oberfläche an. Dieses Magnetfeld war stark genug, um die Supraleitung zu zerstören und das Blei, ohne die Temperatur oder die Position der Mikroskopspitze zu verändern, wieder in ein normales Metall zu verwandeln. Durch das Ein- und Ausschalten des Magnetfeldes konnten sie exakt denselben Punkt auf der Oberfläche sowohl im supraleitenden als auch im normalen Zustand beobachten.
Das Team maß zwei verschiedene Dinge, um zu sehen, ob sich die elektrische Abschirmung änderte. Zuerst maßen sie die Kraft zwischen der Mikroskopspitze und der Probe, während sie die Spitze näher an die Oberfläche und wieder weiter weg bewegten. Wenn das elektrische Feld im supraleitenden Zustand über eine viel größere Distanz abgeschirmt worden wäre, wie Hirsch vorhersagte, hätte sich die von der Spitze gefühlte Kraft merklich verändert. Sie führten dutzende Messungen an derselben Stelle durch und nahmen die Ergebnisse im Durchschnitt, um ein klares Bild zu erhalten. Die Daten zeigten, dass die Kraft exakt dieselbe war, ob das Blei nun supraleitend oder normal war. Der Unterschied zwischen den beiden Zuständen war so geringfügig, dass er im natürlichen Rauschen der Messung unterging, viel zu klein, um die Idee eines weitreichenden elektrischen Schildes zu stützen.
Um absolut sicher zu gehen, nutzten die Forscher eine zweite, unabhängige Methode. Sie betrachteten die Energie der Elektronen, die von der Spitze zur Probe springen – ein Prozess, der distinkte Muster erzeugt, die Feldemissionsresonanzen genannt werden. Diese Muster fungieren wie ein Fingerabdruck der elektrischen Umgebung direkt an der Oberfläche. Wenn sich die Abschirmungslänge des elektrischen Feldes geändert hätte, hätten sich die Energieniveaus dieser Elektronen verschoben. Die Forscher verglichen die Energiemuster im supraleitenden Zustand mit denen im normalen Zustand. Die Muster überlagerten sich perfekt, ohne eine messbare Verschiebung der Energie. Dies bestätigte, dass das elektrische Feld über dieselbe kurze Distanz blockiert wurde, sowohl im supraleitenden als auch im normalen Zustand.
Die Ergebnisse waren eindeutig. Die Forscher fanden heraus, dass die Änderung der elektrischen Abschirmung zwischen dem normalen und dem supraleitenden Zustand weniger als ein Prozent betrug. Dies ist hunderte Male kleiner als das, was Hirschs Theorie vorhergesagt hatte. Die Daten widerlegten die Vorstellung, dass sich die Abschirmungslänge ausdehnt, um die Größe des magnetischen Schildes, wenn das Material supraleitend wird. Stattdessen stützen die Ergebnisse die traditionelle Sichtweise: Der Meißner-Effekt, der Magnetfelder blockiert, ist ein separates Phänomen, das die Art und Weise, wie das Material statische elektrische Felder blockiert, nicht beeinflusst. Das elektrische Feld wird weiterhin über die winzige Distanz eines einzelnen Atoms abgeschirmt, unabhängig davon, ob das Material ein Superleiter oder ein normales Metall ist. Diese Arbeit schließt das Buch über diese spezifische theoretische Debatte und bestätigt, dass die Regeln für elektrische und magnetische Felder in Supraleitern verschieden bleiben, selbst auf der fundamentalsten Ebene.
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