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Majorana-Fermionen in Uranditellurid gefunden

04.04.2020

Physiker der University of Illinois in Urbana-Champaign verwendeten hochauflösende mikroskopische Techniken, um die innere Struktur eines neuen Supraleiters, Uranditellurid UTe2, zu sehen. Die Messungen zeigten das Vorhandensein eines exotischen Quasi-Teilchens in diesem Material - das Majorana-Fermion.

Solche Fermionen wurden bereits 1937 von dem italienischen Physiker Ettore Majorana theoretisch vorhergesagt, und seitdem versuchen Physiker, ihre Existenz experimentell nachzuweisen. Wissenschaftler glauben, dass eine spezielle Klasse von Materialien, die als chirale unkonventionelle Supraleiter bezeichnet werden, solche Partikel enthalten könnte. Ein solches vielversprechendes Material ist Uran-Tellurid.

In einem normalen Supraleiter bilden Elektronen Paare, so dass sie das Material ohne Kollision mit den Kristallgitterplätzen und damit verbundenem Energieverlust durchdringen können. Bei dieser verbreiteten Form der Supraleitung können Magnetfelder die resultierenden Cooper-Elektronenpaare aufbrechen und das Material wieder in seinen normalen Zustand zurückversetzen.

Kürzlich haben Forscher jedoch gezeigt, dass sich Uranditellurid von denen unterscheidet, die der traditionellen Materialtheorie gehorchen. Physiker zeigten im vergangenen Jahr, dass diese Verbindung selbst bei Magnetfeldern von bis zu 65 Tesla – zehntausendmal stärker als ein Kühlschrankmagnet – ein Supraleiter bleibt. Dieses Verhalten, kombiniert mit anderen Messungen, veranlasste die Autoren der neuen Veröffentlichung zu der Vermutung, dass sich die Elektronen in Uranditellurid anders als gewöhnlich paaren, sodass sie nicht durch das Magnetfeld zerstört werden können. Die Paarung ist wichtig, da Supraleiter mit dieser Eigenschaft sehr wahrscheinlich Majorana-Fermionen auf ihrer Oberfläche haben.

Wissenschaftler haben mehrere neue Argumente für diese Theorie gefunden. Sie verwendeten ein Rastertunnelmikroskop, ein Gerät, das die Oberfläche eines Materials bis auf atomare Ebene abbilden und sehen kann, was mit den Elektronen passiert. Auf der Oberfläche eines solchen Materials findet man eine Art „Stufen“ – Erhebungen, auf denen der Nachweis schwer fassbarer Quasiteilchen am wahrscheinlichsten ist. Die Forscher fanden heraus, dass, wenn einige dieser Stadien aus verschiedenen Winkeln gefilmt wurden, die Wellenformen unterschiedlich waren und wie Spiegelbilder zueinander in Beziehung standen.

Diese Anomalie kann durch die Existenz von Majorana-Fermionen erklärt werden, die in die gleiche Richtung zirkulieren. Der nächste Schritt der Wissenschaftler besteht darin, Messungen durchzuführen, die bestätigen würden, dass das Material die Zeitumkehrsymmetrie gebrochen hat. Das bedeutet, dass sich die Teilchen anders bewegen müssten, wenn man den Zeitpfeil theoretisch umkehren würde. Sollte sich dies bestätigen, wäre Uranditellurid das einzige Material – außer superflüssigem Helium-3 – das sich als chiraler unkonventioneller Supraleiter erwiesen hat.

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Das neue Verfahren muss nicht Millionen von Jahren warten, bis aus natürlichen Rohstoffen Öl wird. In einem Laborexperiment füllten Wissenschaftler ein abnehmbares Stahlröhrchen mit 1,5 ml nasser Alge und legten das Röhrchen in Sand, der auf fast 600 Grad Celsius erhitzt wurde. Eine kleine Menge Algen verwandelte sich in nur einer Minute in ein ölähnliches Produkt.

Zuvor erhitzten Wissenschaftler Algen länger: von 10 bis 90 Minuten. Die besten Ergebnisse bei der Umwandlung der Hälfte des Algenvolumens in Biorohöl wurden bei einer Erwärmung von 10 bis 40 Minuten bei einer Temperatur von 300 Grad Celsius beobachtet.

Bisher verstehen die Wissenschaftler nicht vollständig, warum eine kurzfristige Erwärmung effektiver war. Die Forscher glauben, dass die Reaktionen, die künstliches Öl produzieren, eigentlich sehr schnell sind und dass der Prozess bei langsamer Erwärmung lediglich durch Nebenreaktionen verlangsamt wird. Durch die Verringerung der Reaktionszeit kann nicht nur die Produktionsrate von künstlichem Öl aus Algen erhöht, sondern auch die Größe des Reaktors verringert werden, wodurch die Kosten der Anlage zur Herstellung von Rohstoffen gesenkt werden.

Moderne kommerzielle Technologien zur Herstellung von Kraftstoff aus getrockneten Algen sind immer noch sehr teuer, weshalb der Preis für diesen Kraftstoff mehr als 5,4 $ pro 1 Liter beträgt. Die Verwendung von Feuchtalgen ist günstiger, da keine Trocknungskosten anfallen.

Darüber hinaus ist einer der Vorteile der "nassen" Methode nicht nur die Gewinnung von Öl aus Algen, sondern auch die Zerstörung von Proteinen und Kohlenhydraten. Das heißt, in nur einer Minute ist es möglich, einen nahezu höchstmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen und 90 % der von Algen gespeicherten chemischen Energie in künstliches Öl umzuwandeln.

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