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Quantenmaterialien: Supraleiter läuft unter Druck zur Hochform auf

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 07.11.2023

Publikation in Science: Quantenmechanische Anregungen der Elektronen in Strontiumruthanat erhöhen Supraleitung und erleichtern Verformung

Der Supraleiter Strontiumruthanat stellt die Wissenschaft vor viele Fragen. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI CPfS) in Dresden haben nun festgestellt, dass mechanischer Druck die Supraleitung erhöht und zugleich die Verformung des Materials erleichtert. Dies führen sie auf quantenmechanische Anregungen der Elektronen zurück. Ihre Arbeit trägt zum Verständnis des Wechselspiels von elastischen und elektronischen Eigenschaften bei. Die Forschenden berichten in der Zeitschrift Science.

Supraleiter sind Materialien, die beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Sprungtemperatur, keinen elektrischen Widerstand aufweisen. Dies macht sie unter anderem für verschiedene Anwendungen der Energiewandlung und -verteilung interessant. Bei Strontiumruthanat (Sr2RuO4) hat die Wissenschaft noch nicht verstanden, wie es zur Supraleitung kommt. „Die konventionelle Theorie lässt sich auf Strontiumruthanat nicht anwenden. Doch die Quantenmechanik bringt uns weiter, denn mit ihr lassen sich nicht nur die Eigenschaften einzelner Atome und Moleküle, sondern auch die kollektiven Eigenschaften von Vielteilchensystemen beschreiben“, sagt Professor Jörg Schmalian, Leiter des Instituts für Theorie der Kondensierten Materie (TKM) des KIT sowie Leiter der Abteilung Theorie der Quantenmaterialien am Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT) des KIT.

Mechanischer Druck entlang einer Richtung erhöht Sprungtemperatur

Schmalian ist einer der Hauptautoren der in der Zeitschrift Science veröffentlichten Studie. Forschende an mehreren Instituten des KIT und am MPI CPfS hatten bereits 2022 in einer Publikation in der Zeitschrift Nature demonstriert, wie sich durch mechanisches Drücken entlang einer bestimmten Richtung die Sprungtemperatur von Strontiumruthanat deutlich erhöhen lässt und wie dabei das Anregungsverhalten der Elektronen verändert wird. Zusammen mit internationalen Partnern stellten die Forschenden aus Karlsruhe und Dresden nun fest, dass genau dieser Druck, der die Supraleitung stark erhöht, das Material mechanisch wesentlich weicher macht, sodass Verformungen erleichtert werden. Dies führen die Forschenden auf eine quantenmechanische Resonanz der Schwingungen der Elektronen zurück.

Vor rund 60 Jahren sagte der sowjetische Physiker Ilja M. Lifschitz ein mechanisches Aufweichen vorher, das heute als Lifschitz-Übergang bekannt ist. „Der Effekt, den wir nun identifiziert haben, ist jedoch mehr als tausendmal größer und lässt sich klar mit der Verstärkung von Supraleitung in Verbindung bringen. Das ist verblüffend, weil weniger als ein Prozent der insgesamt im Material existierenden Elektronen eine Reduktion der elastischen Konstanten um 20 Prozent erzwingen“, erläutert Schmalian.

Einige wenige stromführende Elektronen haben das Sagen

Um die Untersuchung des Wechselspiels von elastischen und elektronischen Eigenschaften geht es auch im von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Transregio ELASTO-Q-MAT, in dem das MPI CPfS und das KIT stark vertreten sind. Für die in Science publizierte Studie entwickelten Forschende des KIT ein Modell des Effekts, bei dem einige wenige der stromführenden Elektronen alle anderen beherrschen und das Material viel weicher machen können. Die Messungen dazu liefen am MPI CPfS in Dresden. „Ilja M. Lifschiz machte in seiner Theorie keinen Fehler“, betont Schmalian. „Unsere Studie bietet jedoch eine neue Perspektive und eröffnet die Möglichkeit, in Zukunft starke Quantenfluktuationen im Labor zu manipulieren und Materialien für einen gegebenen physikalischen Effekt zu optimieren.“ (or)

Originalpublikation:
H. M. L. Noad, K. Ishida, Y.-S. Li, E. Gati, V. Stangier, N. Kikugawa, D. A. Sokolov, M. Nicklas, B. Kim, I. I. Mazin, M. Garst, J. Schmalian, A. P. Mackenzie, and C. W. Hicks: Giant lattice softening at a Lifshitz transition in Sr2RuO4. Science, 2023. DOI: 10.1126/science.adf3348

Externer Link: www.kit.edu

JKU entwickelt in Kooperationsprojekt Knochenschrauben bei Kreuzbandrissen

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Pressemeldung der JKU Linz vom 08.11.2023

Egal ob beim Sport oder einfach bei einer unglücklichen Bewegung: Kreuzbandrisse kommen extrem häufig vor.

In einem Kooperationsprojekt mit der Firma surgebright und dem Bezirkskrankenhaus Schwaz in Tirol wurden an der Johannes Kepler Universität Linz neuartige Knochenschrauben entwickelt, die bald die bisher verwendeten Schrauben ersetzen sollen.

Die Kreuzbandrekonstruktion mit Interferenzschrauben ist eine weit verbreitete Operationsmethode. Normalerweise bestehen diese Schrauben aus Metall (vor allem Titan) oder bioresorbierbaren Materialien wie Kunststoff oder Keramik. In beiden Fällen handelt es sich um Fremdkörper, die Probleme bereiten können.

„Wir versorgen allein in unserem Krankenhaus jedes Jahr hunderte Patient*innen mit Kreuzbandrissen. Sehr weit verbreitet sind Schrauben aus Kunststoffen, die sich später auflösen sollen. Durch diesen Auflöseprozess bleiben oft große Defekte im Knochen, sogenannte Osteolysen, zurück. Reißt das Kreuzband dann erneut, stehen Patient*innen und Chirurg*innen vor schwer zu lösenden Problemen. Durch diese Knochendefekte hält das neue Kreuzband nicht mehr“, so Prim. Dr. Markus Reichkendler vom Bezirkskrankenhaus Schwaz. Eine Alternative: Schrauben aus Knochen, wie sie die Firma surgebright aus Lichtenberg (OÖ) anbietet.

Knochenmaterial wird in den Körper eingebaut

„Schrauben aus menschlichen Knochen werden von körpereigenen Knochenzellen besiedelt und in körpereigenen Knochen umgewandelt. Osteolysen sind damit Geschichte. Dieser Vorgang bei der sogenannten Shark-Screw konnte bereits in einigen Publikationen in internationalen Topp-Fachzeitschriften nachgewiesen werden“, erklärt Surgebright-Geschäftsführer Thomas Pastl. Um maximale Patient*innensicherheit gewährleisten zu können, werden die Knochenschrauben sterilisiert. „Diese österreichische Entwicklung ist ein großer Meilenstein für Chirurg*innen und Patient*innen und nicht zuletzt für das weltweite Gesundheitswesen“, so Pastl.

Dass Schrauben aus Knochen hervorragend funktionieren, ist längst bekannt und wird im klinischen Alltag jährlich tausendfach verwendet – allerdings gab es bislang keine Knochenschrauben, die technisch für Kreuzbandrisse geeignet waren. Sie waren entweder zu klein und hielten dem Drehmoment nicht stand oder waren so groß, dass der Schraubenkopf im Körper abgesägt werden musste.

Hier kam das Institut für Medizin- und Biomechatronik der JKU ins Spiel. „Wir haben das Problem gemeinsam erörtert und dann Schrauben mit einer speziellen Konstruktion entwickelt. Die Schrauben- und Gewindeform erlaubt es endlich, diese Schrauben auch zur Befestigung von Kreuzbandplastiken nach einem Kreuzbandriss zu verwenden“, so Institutsleiter Univ.-Prof. Dr. Werner Baumgartner. Notwendig waren dazu sowohl umfangreiche Berechnungen als auch zahlreiche praktische Experimente.

„Am Ende haben wir es geschafft – in den Tests hat sich die neue Schraube bestens bewährt“, freut sich DI Sebastian Lifka (Institut für Medizin- und Biomechatronik der JKU).

Klinische Studie geplant

Die neuen Schrauben sind somit speziell für die Behandlung von Kreuzbandrissen geeignet, sind für den Körper verträglicher und heilen schneller. Das neue Verfahren für die speziellen Schrauben wurde bereits im renommierten Fachmagazin „Bioengineering“ publiziert. Die bessere Wirksamkeit der Schrauben soll demnächst in einer klinischen Studie wissenschaftlich analysiert werden, um schon bald Patient*innen mit Kreuzbandriss zur Verfügung zu stehen.

Externer Link: www.jku.at

technologiewerte.de – MOOCblick November 2023

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Nature-based Urban Regeneration
Axel Timpe (RWTH Aachen University) et al.
Start: 29.11.2023 / Arbeitsaufwand: 30-36 Stunden

Externer Link: www.edx.org