Hinweise auf ungerade Paritäts-Supraleitung, getragen von Antiferromagnetismus im schweren Fermionenmetall YbRh2Si2

Ein seltsames Metall, das zu einem speziellen Supraleiter wird

Die meisten Supraleiter klingen bereits exotisch: Sie leiten Strom ohne Widerstand, wenn sie auf sehr niedrige Temperaturen abgekühlt werden. Eine noch seltenerer Familie, die sogenannten topologischen Supraleiter, könnte eines Tages Bausteine für robuste Quantentechnologien liefern. In dieser Studie untersuchen die Forschenden eine ungewöhnliche schwere Metallverbindung, YbRh2Si2, die auf wenige Tausendstel eines Grades über dem absoluten Nullpunkt gekühlt wird, und finden Hinweise darauf, dass sie eine seltene Form der Supraleitung beherbergt, die eng mit ihrer inneren Magnetisierung verknüpft ist.

Warum dieses Material ungewöhnlich ist

YbRh2Si2 gehört zu einer Klasse von Materialien, die als schwere Fermionenmetalle bekannt sind, in denen Elektronen sich aufgrund starker Wechselwirkungen so verhalten, als wären sie hundertfach schwerer als üblich. Bei sehr niedrigen Temperaturen entwickelt diese Verbindung eine fragile Form des Antiferromagnetismus, bei der benachbarte atomare Momente in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind. Frühere Messungen deuteten an, dass in diesem seltsamen Umfeld Supraleitung auftritt, doch die Art der Paarbildung, die den widerstandslosen Stromfluss ermöglicht, blieb unklar, und die supraleitenden Signale waren schwach und von Probe zu Probe unterschiedlich.

Den elektrischen Strömen bei ultraniedrigen Temperaturen lauschen

Um herauszufinden, was geschieht, entwickelte das Team eine ultrafeine Methode zur Messung der elektrischen Reaktion winziger Einkristalle bei Temperaturen unter 10 Millikelvin. Sie verwendeten ein supraleitendes Quanteninterferenzgerät (SQUID), um die komplexe elektrische Impedanz zu untersuchen, die sowohl Widerstands- als auch induktive Effekte erfasst, während Temperatur und Magnetfeld variiert werden. Diese Messungen offenbarten scharfe Grenzen, an denen Bereiche innerhalb jeder Probe zwischen normalem und supraleitendem Verhalten umschalten, sodass die Forschenden mehrere supraleitende Zustände als Funktion des angelegten Magnetfeldes kartieren konnten, entweder innerhalb der Kristallebenen oder entlang der Kristallachse.

Magnetismus als Helfer und Wächter

Die resultierenden Phasendiagramme zeigen, dass Supraleitung in YbRh2Si2 nur dann stabil ist, wenn das Material magnetisch geordnet ist. Wenn der primäre antiferromagnetische Zustand, genannt AFM1, durch ein angelegtes Magnetfeld zerstört wird, verschwindet die Supraleitung ebenfalls abrupt. Bei noch niedrigeren Temperaturen erscheint ein zweites magnetisches Muster, das sowohl elektronische als auch nukleare Spins in einer wellenförmigen Anordnung umfasst. Auffällig ist, dass das Auftreten dieser elektro-nuklearen Spin-Dichte-Welle einen plötzlichen Schub der supraleitenden Antwort bewirkt, sichtbar als Abfall der kinetischen Induktivität der Elektronen und als Anstieg der Feldskala, bei der die Supraleitung zerstört wird.

Hinweise auf die Art der supraleitenden Paare

Indem sie verfolgten, wie die kritische Temperatur vom Magnetfeld abhängt, konnten die Forschenden bestimmen, wann die Supraleitung durch die magnetische Ausrichtung der Elektronenspins begrenzt wird, eine Beschränkung, die als Pauli-Grenze bekannt ist. Einige supraleitende Bereiche in den Proben folgen dieser Grenze für im Ebene angelegte Felder, während andere weit darüber hinaus bestehen bleiben. Dieses selektive Verhalten legt stark nahe, dass die Cooper-Paare sich in einem Spin-Triplet-Zustand befinden, bei dem die Spins ausgerichtet statt entgegengesetzt sind. Das Muster der Feldabhängigkeit deutet insbesondere auf einen sogenannten helikalen Zustand hin, eine Art topologischer supraleitender Phase, die gegenüber Feldern entlang der Kristallachse unempfindlich, gegenüber Feldern innerhalb der Ebene jedoch empfindlich ist.

Wie eine magnetische Welle die Paare stärkt

Um die plötzliche Verstärkung der Supraleitung bei Auftreten der elektro-nuklearen magnetischen Ordnung zu erklären, schlagen die Autorinnen und Autoren vor, dass sich der helikale supraleitende Zustand mit einem Begleitmuster koppelt, das als Pair-Density-Wave bezeichnet wird. In diesem Bild diffraktiert die magnetische Welle die Elektronenpaare und erzeugt einen räumlich modulierten Partnerzustand, der die Energie des Systems senkt und effektiv die supraleitende Lücke vertieft. Bereiche des Kristalls, die bereits den helikalen Zustand tragen, sehen eine Verstärkung, während andere Bereiche genau bei der Temperatur, bei der die elektro-nukleare Ordnung einsetzt, in die Supraleitung gekippt werden.

Was das für zukünftige Quantenmaterialien bedeutet

In der Summe liefern die Experimente starke Hinweise darauf, dass YbRh2Si2 ungerade Paritäts-, Spin-Triplet-Supraleitung beherbergt, deren Existenz und Stärke von zwei verflochtenen Formen antiferromagnetischer Ordnung gesteuert wird. Eine der supraleitenden Phasen passt zum Profil eines topologischen helikalen Zustands, einem nahen Verwandten von Phasen, die seit langem in dem Supraflüssigkeitszustand von Helium-3 untersucht werden. Obwohl die Supraleitung derzeit fragil und räumlich nicht einheitlich ist, bietet das Material eine seltene, einstellbare Plattform, auf der Magnetismus und topologische Paarbildung nebeneinander untersucht werden können, mit der Aussicht, dass verbesserte Probenkontrolle eines Tages aus ihm einen praktischen Träger exotischer Quantenzustände machen könnte.

Zitation: Levitin, L.V., Knapp, J., Knappová, P. et al. Evidence for odd-parity superconductivity underpinned by antiferromagnetism in heavy-fermion metal YbRh₂Si₂. Nat. Phys. 22, 713–719 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03247-x

Schlüsselwörter: topologische Supraleitung, Spin-Triplet-Kopplung, schweres Fermionenmetall, Antiferromagnetismus, Pair-Density-Wave