Pseudogap in novel superconductors at high electric fields

Es wurde ein neuartiger Effekt in der großen Vielfalt von rätselhaften und noch unerklärten Beobachtungen in den Kuprat-Supraleitern mit hohen kritischen Temperatur entdeckt. Diese aufregenden Materialien haben nicht nur weltweite Forschungsaktivitäten, sondern auch viele neue kommerzielle Anwendungen stimuliert, infolge ihrer Fähigkeit unterhalb einer kritischen Temperatur elektrische Energie ohne oder mit vernachlässigbaren Verlusten transportieren.
Trotz intensiver Forschungsbemühungen gibt es keinen Konsens über den Mechanismus, der die so genannte Hochtemperatur-Supraleitung verursacht und daher verzögern sich auch die Fortschritte in der Erhöhung der kritischen Temperatur. Der fundamentale Parameter für die Supraleitung und ihrer theoretischen Beschreibung ist eine Energielücke zwischen supraleitenden Ladungsträgerpaaren und normalleitenden Ladungsträgern, die jeweils für den Ladungstransport im supraleitenden und normalleitenden Zustand verantwortlich sind.
Seit kurzem gibt es Hinweise, dass in Hochtemperatur-Supraleitern mit verringerter Anzahl an Ladungsträgern Phänomene, die mit der Energielücke zusammen zu hängen scheinen, bis zu Zimmertemperatur und darüber auftreten können, obwohl die herkömmlichen Anzeichen für Supraleitung, Nullwiderstand und starker Diamagnetismus erst bei eher niedriger Temperatur beobachtet werden können. Diese verblüffende Beobachtung einer nicht voll entwickelten Energielücke wird als "Pseudo-Energielücke" bezeichnet. Viele Beobachtungen zeigen nun, dass diese Pseudo-Energielücke eng mit Supraleitung verbunden ist, was zu Spekulationen geführt hat, dass eine Art Vorläufereffekt der Supraleitung bis zu Zimmertemperatur existieren könnte.
Wir haben eine neuartige Apparatur entwickelt, die es erlaubt, elektrische Eigenschaften von Supraleitern unter zuvor noch nie erreichten Leistungsdichten zu messen und damit einen neuen Bereich experimenteller Parameter zu erkunden. Wir haben den Hall-Effekt, eine transversale Spannung, die durch Ablenkung von bewegten Ladungsträgern in einem Magnetfeld verursacht wird, in sehr hohen elektrischen Feldern untersucht. Im Gegensatz zu den Beobachtungen in Metalle und viele andere Materialien, nimmt der Hall-Effekt von Kuprat-Supraleitern nicht linear mit der elektrischen Feldstärke zu. Dies ist in einem engen Temperaturbereich oberhalb der kritischen Temperatur zu beobachten. Der Temperaturbereich dieses nicht-linearen Verhaltens nimmt aber deutlich mit einem Anstieg der charakteristischen Temperatur der Pseudo-Energielücke zu und scheint mit dem Prozess verknüpft zu sein, der diese Pseudo-Energielücke verursacht,. Unsere neuen Erkenntnisse können helfen, zwischen mehreren konkurrierenden Theorien zu entscheiden, die die Herkunft der Pseudo-Energielücke in Hochtemperatur-Supraleitern zu erklären versuchen.

A novel effect among the large variety of puzzling and still inexplicable observations in the cuprate superconductors with high critical temperature has been uncovered. These exciting materials not only have stimulated world-wide research activities but also have triggered many new commercial applications due to their ability to transport electric energy with no or negligible dissipative losses below a critical temperature.
Despite of intense research efforts, there exists no consensus on the fundamental mechanisms evoking the so-called high-temperature superconductivity and hence further progress in elevating the critical temperature has been delayed. The fundamental parameter for superconductivity and its theoretical description is an energy gap between the superconducting carrier pairs and the normal-conducting charge carriers that are responsible for charge transport in the superconducting and the normal state of the material, respectively.
Recently, evidence is emerging that in high-temperature superconductors with a reduced number of charge carriers, phenomena that appear to be associated with an energy gap can extend to room temperature and even higher, although the conventional experimental indications of superconductivity, zero resistance and strong diamagnetism, are only observed at rather low temperature. This puzzling observation of a not fully developed energy gap is commonly addressed as "pseudogap". Many observations indicate that the pseudogap is tightly connected with superconductivity which has provoked the speculation that some sort of a precursor of superconductivity may exist up to room temperature.
We have developed a unique apparatus that allows to measure electrical properties of superconductors at unprecedented dissipation power levels and to explore a new regime of experimental parameters. In very high electric fields, we have investigated the Hall effect, a transverse voltage that results from the deflection of moving charge carriers in a magnetic field. Contrary to the observations in metals and many other materials, the Hall effect does not increase linearly with the electric field in cuprate superconductors in a narrow temperature range above the critical temperature. The temperature regime of the non-linear behaviour increases significantly with a rising of the pseudogap temperature and appears to be connected to the process that evokes the pseudogap. Our novel findings can help to decide between several competing theories to explain the origin of the pseudogap in high-temperature superconductors.