Verhalten von Supraleitern in Magnetfeldern simuliert

Wird ein Supraleiter einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt, bilden sich Oberflächenströme, welche dem von außen angelegten Magnetfeld entgegenwirken und so das Feld aus dem Inneren des Supraleiters verdrängen. Dieses quantenmechanische Phänomen wurde erstmals 1933 beobachtet und ist nach seinen Entdeckern als „Meißner-Ochsenfeld-Effekt“ benannt. Wissenschaftlern um Marcos Atala von der LMU München und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik ist es nun gelungen, einen ähnlichen Effekt mit einem System aus ultrakalten Atomen in optischen Gittern zu nachzubauen. Ihre Ergebnisse veröffentlichte das Team in der Fachzeitschrift „Nature Physics“.

Eine gewellte, graue Oberfläche, ähnlich einem Eierkarton. In den Tälern fliegen kleine, orangene Kugeln auf den Betrachter zu und kleine, blaue Kugeln in das Bild hinein.
Schematische Darstellung des optischen Kristalls

In ihren Experimenten ordneten die Forscher extrem kalte Rubidiumatome mithilfe von Laserstrahlen in einem Gitter an – einem sogenannten optischen Kristall. Die Atome befinden sich dabei abhängig von der Frequenz des verwendeten Lasers in den Intensitätsmaxima beziehungsweise -minima von optischen Stehwellen. Die so erzeugte Gitterstruktur stellt ein ideales Modell eines Festkörperkristalls dar, in dem die Atome die Rolle der Elektronen spielen. Allerdings würden Elektronen in einem realen Festkörperkristall durch die sogenannte Lorentzkraft auf Kreisbahnen gezwungen werden, wenn sich dieser in einem äußeren Magnetfeld befindet. Die „Elektronen“ im Modellsystem, also die Rubidiumatome, sind dagegen elektrisch neutral und spüren daher keine Lorentzkraft.

Um diese Limitierung zu umgehen, entwickelten die Wissenschaftler eine Technik, bei der sie den Effekt eines Magnetfeldes mit einer speziellen Laserstrahlenanordnung simulieren. Dabei gibt ein zusätzliches Strahlenpaar den Atomen gewissermaßen einen Kick, wenn sie sich von einer Seite des optischen Gitters auf die andere bewegen. Bewegen sie sich in die entgegengesetzte Richtung, erfahren sie einen umgekehrten Impuls. Auf diese Weise gelang es dem Team, die Wirkung von Magnetfeldern mit Stärken von mehreren Tausend Tesla zu simulieren – ein Wert, der mit herkömmlichen Methoden im Labor nicht erreichbar ist.

In einem solchen optischen Leitersystem ließ sich neben dem Meißner-Ochsenfeld-Effekt sogar noch einen weiteren Effekt nachahmen: In bestimmten Supraleitern bilden sich ab einer kritischen Magnetfeldstärke Wirbelstrukturen in den Oberflächenströmen aus, wodurch das Magnetfeld nicht mehr vollständig aus dem Supraleiter verdrängt werden kann. Ein tieferes theoretisches Verständnis dieser Eigenschaften ist vor allem für die Materialwissenschaft von großer Bedeutung. Denn der Meißner-Ochsenfeld-Effekt hat bereits in vielen Bereichen Anwendung gefunden – von der Magnetschwebetechnik bis hin zur Medizin