Superwelle im Supraleiter

02.04.2013: Physiker können das Verhalten von Festkörpern immer präziser mit Licht kontrollieren. Ein internationales Team um Forscher des Hamburger Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie und der Universität Oxford hat nun festgestellt, dass ein intensiver Terahertz-Puls eines Lasers durch einen keramischen Supraleiter in Form eines Solitons wandert. Ein Supraleiter leitet Strom ohne elektrischen Widerstand; die schichtförmig aufgebauten keramischen Supraleiter reflektieren Licht, solange dessen Frequenz einen bestimmten Wert, die Josephson-Plasmafrequenz, nicht überschreitet. Für Licht oberhalb dieser Frequenz, die für den keramischen Supraleiter bei zwei Terahertz, also zwischen Infrarot und Mikrowellenlicht liegt, wird der Supraleiter transparent. Wie das Forscherteam nun festgestellt hat, wandert ein Lichtpuls, der genau die Josephson-Plasmafrequenz besitzt, sehr langsam durch das Material, ohne wie eine gewöhnliche Welle allmählich zu zerfließen. Solche Wellenpakete heißen Solitone und sind unter anderem auch für Tsunamis typisch. Licht-Solitone sind nützlich, um die Verluste bei der optischen Datenübertragung zu reduzieren.

Lichtsignale haben sich in den vergangenen Jahren zu wahren Langstreckenläufern entwickelt. Eine Strecke von einigen 100 Kilometern bewältigen sie in einem Glasfaserkabel heute, ohne auch nur einmal aufgefrischt werden zu müssen. Noch zu Beginn der optischen Kommunikation in den 1990er-Jahren, mussten die Signale etwa alle 20 Kilometer wieder erneuert werden. Dass das heute nicht mehr so ist, liegt auch daran, dass die Signale inzwischen oft in Form von Solitonen durch die Glasfasern wandern. Physiker der Abteilung Kondensierte Materie von Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, der Universitäten Oxford und Tokyo sowie des Helmholtz-Zentrums Dresden Rossendorf haben nun Solitonen durch ein Material geschickt, das sich bislang einen Namen als verlustfreier Stromleiter gemacht hat: den keramischen Supraleiter Lanthanstrontiumcuprat (La1,84Sr0,16CuO4).

Dieses Material ist wie alle keramischen Supraleiter in Schichten aufgebaut. Der widerstandslose Strom fließt dabei durch einzelne dieser Schichten, die durch isolierende Ebenen voneinander getrennt sind. Trotzdem können die stromtransportierenden Cooperpaare, zu denen sich in einem Supraleiter jeweils zwei Elektronen zusammenschließen, durch die isolierende Lage von einer supraleitenden Schicht zur nächsten gelangen. Sie bedienen sich dabei eines quantenmechanischen Tricks, sie tunneln nämlich durch die für sie eigentlich unüberwindbare Barriere. Dieser Effekt heißt Josephson-Effekt, und ein Sandwich aus zwei supraleitenden und einer isolierenden Schicht Josephson-Kontakt. Da der Tunnelstrom, der durch die isolierende Schicht fließt, sehr empfindlich auf Magnetfelder reagiert, wird dieser sogenannte Josephson-Effekt unter anderem für sehr empfindliche Messungen magnetischer Felder ausgenutzt.

Oberhalb der Josephson-Plasmafrequenz wird das Material transparent

Die tunnelnden Cooperpaare stellen sich Physiker als ein Fluid, also eine Art Flüssigkeit vor. „Dieses Fluid charakterisieren wir zum einen durch die Dichte der Cooperpaare und zum anderen durch die sogenannte Phase, die seine langreichweitige Ordnung beschreibt“, erklärt Martin Eckstein, der am Hamburger Max-Planck-Institut die theoretischen Grundlagen für das Experiment gelegt hat. „In diesem Fluid können wir mit Terahertz-Strahlung Plasmawellen anregen, sodass die Phase in dem Fluid periodisch auf ähnliche Weise schwankt wie die Dichte der Luft in einer Schallwelle.“ Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Frequenz über der sogenannten Josephson-Plasmafrequenz liegt, die für das Lanthanstrontiumcuprat bei zwei Terahertz liegt.

Beobachten lässt sich der Schritt über die Josephson-Plasmafrequenz  relativ leicht, weil der keramische Supraleiter dann für Licht transparent ist. Das heißt der anregende Lichtpuls wandert durch das Material, und zwar parallel zu den Ebenen der supraleitenden und isolierenden Schichten. Entscheidend ist nun, dass das Licht auf seinem Weg über die supraleitenden Ebenen sehr stark von der Plasmawelle – Physiker sprechen von einer Josephson Plasmawelle – beeinflusst wird, die es selbst angeregt hat. Das ist in etwa so als würde die Schallwelle eines Gesangs die Schwingung der Stimmbänder verändern – ein Sänger würde sich bedanken.

Nichtlineare Wechselwirkungen bündeln die Frequenzen des Lichtpulses

Wenn der anregende Lichtpuls nun genau die Josephson Plasmafrequenz besitzt und sehr intensiv ist, wandert er in Form eines Solitons durch das Material. Denn dann wird das Wechselspiel aus Licht- und Plasmawelle hochgradig nichtlinear. Nichtlineare Zusammenhänge sind generell für physikalische Überraschungen gut, weil die Zusammenhänge zwischen Ursache und Wirkung dabei oft komplex und mathematisch schwierig zu erfassen sind. So sorgen nichtlineare Wechselwirkungen in einem Josephson-Kontakt dafür, dass aus der Welle eines anregenden Lichtpulses ein Soliton wird.

Erklären lässt sich der Effekt damit, dass sich jeder Lichtpuls wie auch eine Wasserwelle aus Wellen unterschiedlicher Frequenz zusammensetzt, die sich stets mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. Daher fließen sowohl ein Lichtpuls in einem Glasfaserabel als auch eine Welle auf dem Meer allmählich auseinander. Wie das Physikerteam um die Max-Planck-Forscher nun festgestellt hat, beeinflussen die nichtlinearen Wechselwirkungen im Josephson-Kontakt die einzelnen Frequenzen eines anregenden Lichtpulses gerade so unterschiedlich, dass sie gebündelt bleiben.

Ein neuer Grad an Kontrolle im Wechselspiel von Licht und Materie

„Experimentell konnten wir die Josephson-Plasma-Solitonen nur mit den Terahertz-Pulsen eines Freie-Elektronen-Lasers realisieren, weil sich deren Frequenz zum einen sehr genau einstellen lässt und sie zum anderen sehr intensiv sind“, erklärt Lijhian Zhang, einer der beteiligten Wissenschaftler der Max-Planck-Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik an der Universität Hamburg.

Indem sie Solitonen in einem Supraleiter anregten, hat das Forscherteam einen neuen Grad an Kontrolle im Wechselspiel zwischen Licht und Materie erreicht. „Wir haben damit gezeigt, dass wir in komplexen Materialien gezielt nichtlineare Prozesse anregen und nutzen können“, sagt Andrea Cavalleri, Direktor der Max-Planck-Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik. Diese Kontrolle wollen die Forscher nun noch ausweiten, und sie versprechen sich davon neben neuen grundlegenden Erkenntnissen auch einen praktischen Nutzen, möglicherweise in der Datenverarbeitung.

Originalveröffentlichung:
A. Dienst, E. Casandruc, et al., Optical excitation of Josephson plasma solitons in a cuprate superconductor Nature materials, online 24. März 2013