Seit drei Jahrzehnten gibt ein ungewöhnliches Supraleitermaterial der Physik Rätsel auf. Nun hat ein Forschungsteam der Kyoto-Universität eine der führenden Theorien zu seiner Funktionsweise widerlegt – und damit das Rätsel eher vertieft als gelöst. Das Material Strontiumruthenat (Sr₂RuO₄) wurde 1994 als erster kupferfreier Perowskit-Supraleiter entdeckt. Seine Sprungtemperatur liegt bei winzigen 1,5 Kelvin (etwa −272 °C). Doch nicht die Kälte, sondern die jahrzehntelange Ungewissheit über den zugrundeliegenden Ordnungsparameter machte Sr₂RuO₄ zu einem der hartnäckigsten Probleme der Festkörperphysik.
Zwei konkurrierende Modelle des Ordnungsparameters
Der Ordnungsparameter beschreibt, wie sich Elektronen zu Cooper-Paaren zusammenschließen und damit den supraleitenden Zustand ermöglichen. Grundsätzlich unterscheidet die Theorie zwischen zwei Typen: einem einkomponentigen Ordnungsparameter (nur eine Symmetrieklasse) und einem zweikomponentigen (zwei entartete Komponenten, die sich überlagern). Bei Sr₂RuO₄ ergab sich ein Widerspruch: Ultraschallexperimente deuteten auf einen zweikomponentigen Zustand hin, während Messungen unter einachsiger Verformung (uniaxialer Strain) eher einen einkomponentigen Zustand nahelegten. Derselbe Stoff zeigte also je nach Methode ein anderes Bild – ein in der kondensierten Materie selten so krasser Fall von widersprüchlicher Evidenz.
Scherspannung als neuer Zugang zum Rätsel
Giordano Mattoni (Projektassistent), Thomas Johnson (Postdoktorand) und Yoshiteru Maeno (Professor) vom Kyoto University Advanced Study Institute und dem Toyota Riken–Kyoto University Collaboration Center (TRiKUC) griffen zu einem bislang nicht genutzten experimentellen Ansatz: Sie legten an ultradünnen Kristallen von Sr₂RuO₄ reine Scherspannung an. Dazu schleiften sie Einkristalle auf rund 30 µm Dicke, klebten sie direkt auf piezoelektrische Elemente und konnten die Verzerrung bei Temperaturen bis zu 30 K (ca. −243 °C) optisch vermessen. Drei verschiedene Scherrichtungen wurden getestet.
Was ist Scherspannung?
Anders als Dehnung oder Stauchung verschiebt Scherspannung die Kristallebenen seitlich gegeneinander – vergleichbar mit dem Verschieben eines Kartenstapels. Diese mechanische Verformung koppelt in vielen Materialien direkt an den Ordnungsparameter und könnte daher entscheidende Hinweise auf dessen Symmetrie liefern.
Das Ergebnis: Kaum eine Veränderung der Sprungtemperatur
Die Messungen fielen eindeutig aus: In keiner der drei Scherrichtungen änderte sich die supraleitende Sprungtemperatur Tc um mehr als 10 mK pro 1 % Scherverzerrung. Der Effekt lag damit unterhalb der Nachweisgrenze. Wäre der Ordnungsparameter zweikomponentig, hätte die Theorie – gestützt auf die früheren Ultraschalldaten und die Ehrenfest-Relation – eine V-förmige Abhängigkeit mit Veränderungen von mehreren zehn bis hundert Millikelvin vorhergesagt. Der gemessene Wert liegt weit unter dieser Prognose.
Die praktisch nicht vorhandene Kopplung zwischen Scherspannung und Supraleitung stellt eine starke Einschränkung für das Zweikomponenten-Modell dar. Es kann die Beobachtungen nicht erklären.
Was die Studie für die konkurrierenden Modelle bedeutet
Allerdings ist damit auch das Einkomponenten-Modell nicht automatisch bestätigt. Denn Sr₂RuO₄ zeigt andere rätselhafte Eigenschaften: Unterhalb von Tc wurde wiederholt eine spontane innere Magnetfeldbildung gemessen – ein Zeichen für gebrochene Zeitumkehrsymmetrie. Tunnel- und Josephson-Experimente deuten auf mehrere supraleitende Domänen hin, und es gibt Hinweise auf horizontale Linienknoten (Stellen, an denen die Energielücke verschwindet). Ein einfaches einkomponentiges Modell kann all diese Phänomene nicht vereinheitlichen.
Die folgende Übersicht fasst zusammen, welche experimentellen Methoden mit welchem Modell vereinbar sind:
- NMR / polarisierte Neutronen – sowohl ein- als auch zweikomponentig vereinbar
- Myon-Spinrotation / Kerr-Effekt – nur zweikomponentig vereinbar
- Ultraschall – nur zweikomponentig vereinbar
- Spezifische Wärme / elastokalorischer Effekt – nur einkomponentig vereinbar
- Scherspannung (diese Studie) – nur einkomponentig vereinbar
Das Autorenteam schließt seinen Artikel in Nature Communications mit der Feststellung, dass entweder ein einkomponentiger Ordnungsparameter oder eine noch exotischere, über das konventionelle theoretische Raster fallende Symmetrie vorliegen müsse. Die Antwort ist also weiterhin offen.
Ein neues Rätsel: Warum widersprechen sich Ultraschall und Scherspannung?
Eine zusätzliche Unstimmigkeit tut sich auf: Die früheren Ultraschallmessungen hatten sehr wohl eine deutliche Antwort auf Scherverformung gezeigt, während die direkte mechanische Verformung in dieser Studie keinerlei Reaktion lieferte. Warum zwei verwandte Methoden so unterschiedliche Ergebnisse liefern, ist unklar – und wird zum nächsten Forschungsgegenstand.
Neue Werkzeuge für die Supraleitungsforschung
Die in Kyoto entwickelte Technik, Scherspannung an ultradünnen Kristallen definiert anzulegen und zu messen, beschränkt sich nicht auf Sr₂RuO₄. Sie kann auf andere Quantenmaterialien angewendet werden, bei denen ein zweikomponentiger Ordnungsparameter diskutiert wird – etwa den Schwerfermionen-Supraleiter UPt₃. Die experimentelle Basis zur Klärung solcher Grundfragen der Supraleitung ist damit ein Stück breiter geworden.
Die Studie erschien am 16. Dezember 2025 in Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-025-67307-1). Eine Pressemitteilung der Kyoto-Universität fasst die Ergebnisse ebenfalls zusammen. Dass nach 30 Jahren eine führende Theorie fällt, ohne dass eine neue an ihre Stelle tritt, zeigt: Die Natur gibt ihre Geheimnisse nicht leicht preis – und gerade das macht die Suche nach dem ultimativen Verständnis der Supraleitung so faszinierend.
