Konstruktiver Konflikt im Supraleiter

Photo: Keramischen Yttrium- oder Neodymcupraten

Ob ein Material Strom ohne Verlust leitet, ist nicht zuletzt eine Frage der richtigen Temperatur. Diese könnte sich für Hochtemperatur-Supraleiter künftig zuverlässiger vorhersagen lassen. Solche Materialien geben ihren Widerstand auf, wenn sie mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, der relativ einfach zu handhaben ist.

Ein internationales Team, an dem Physiker des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgarter maßgeblich beteiligt waren, hat nun herausgefunden, dass diese Form der Supraleitung mit Ladungsdichtewellen, also mit einer periodisch schwankenden Verteilung der Ladungen konkurriert.

Da die Physiker diesen Wettbewerb in ihren Modellen bislang nicht berücksichtigten, blieben ihre Berechnungen der Sprungtemperatur, bei der die Supraleitung eintritt, ungenau. In einer weiteren Arbeit haben die Forscher des Stuttgarter Max-Planck-Instituts Erkenntnisse gewonnen, wie supraleitende mit magnetischen Materialien wechselwirken. Dabei haben sie beobachtet, dass die elektronischen Eigenschaften Kristallschwingungen in größerem Umfang beeinflussen, als zu erwarten war. Dieser Effekt könnte helfen, Materialeigenschaften wie die Supraleitung oder die Thermoelektrizität zu kontrollieren.

Die Forscher haben herausgefunden, dass die Supraleitung in einer Art von Kupferoxid-Keramiken mit einem Zustand konkurriert, in dem sich eine Ladungsdichtewelle ausbildet. Solche Ladungsdichtewellen kennen Physiker schon seit Jahrzehnten von zweidimensionalen Materialien wie etwa Niobseleniden. Darin verteilen sich die Leitungselektronen nicht gleichmäßig über den Kristall wie in einem Metall. Vielmehr bilden sie ein regelmäßiges Muster von Gebieten, in denen sie sich mal stärker und mal weniger stark konzentrieren.

„In den supraleitenden Cupraten haben wir die Ladungsdichtewellen nicht erwartet, weil sie die Supraleitung zerstören“, sagt Bernhard Keimer. Statt sich in regelmäßigen Abständen mal mehr und mal weniger zu konzentrieren schließen sich die Elektronen in Supraleitern zu Cooper-Paaren zusammen, die widerstandslos durch einen Kristall flutschen können. Dementsprechend beobachteten die Forscher die Ladungsmuster nur oberhalb der Sprungtemperatur, bei der das Material supraleitend wird.

Jedoch wuchsen die Bereiche zunächst, in denen sich Ladungsdichtewellen ausbildeten, während die Forscher das Material zur Sprungtemperatur abkühlten. Sobald sie jedoch die Sprungtemperatur bei minus 213 Grad Celsius erreichten, verschwanden die Ladungsdichtewellen plötzlich und die Supraleitung setzte sich durch. „Die Supraleitung setzt sich in diesem Wettbewerb nur knapp durch“, erklärt Bernhard Keimer. „Wenn die Vorteile dabei nur ein bisschen anders verteilt wären, gäbe es die Hochtemperatursupraleitung möglicherweise gar nicht.“

Aufgespürt hat das Forscherteam die Ladungsdichtewellen, indem sie Yttrium- und Neodymbariumcupraten der Zusammensetzung (Y,Nd)Ba2Cu3O6+x mithilfe der resonanten Röntgenstreuung durchleuchteten. Diese liefert ihnen exklusive Informationen über die Elektronen, die sich nur schwer entscheiden können, ob sie lieber eine Welle machen oder auf Partnersuche gehen wollen, um gemeinsam leichter durch ihren Kristall zu schlüpfen. Diese Messungen werden die Physiker um Bernhard Keimer nun auch an anderen Hochtemperatursupraleitern vornehmen. So wollen sie herausfinden, ob sich alle diese Materialien in einer elektronischen Konkurrenz befinden.

Zudem werden die Forscher den Widerstreit zwischen den beiden elektronischen Zuständen in ihrem theoretischen Modell der Supraleitung berücksichtigen. „Mit diesem Modell können wir die Sprungtemperatur eines Materials schon ziemlich gut berechnen, landen dabei aber immer etwas zu hoch“, sagt Bernhard Keimer. „Die Konkurrenz mit der Ladungsdichtewelle erklärt diese Diskrepanz, so dass unsere Vorhersagen künftig noch präziser werden dürften.“

Ladungsdichtewellen erklären vielleicht auch eine Beobachtung, die sein Team kürzlich in einer anderen Arbeit machte. Auch hier spielte ein Hochtemperatursupraleiter eine Rolle. Auch er setzte sich aus Yttrium, Barium sowie Kupferoxid zusammen und wird durch die Formel YBa2Cu3O7, kurz YBCO beschrieben. Diese Keramik kombinierten die Forscher nun jedoch mit einem magnetischen Material aus Lanthan, Calcium und Manganoxid, das der Formel La2/3Ca1/3MnO3 (oder LCMO) gehorcht. Beide Substanzen stapelten sie zu einem Übergitter, einem Sandwich aus nur einigen Nanometer dicken Schichten, und sie verfolgten dabei ein klares Ziel.

„Wir gehen inzwischen davon aus, dass sich die Cooperpaare in Hochtemperatursupraleitern aufgrund magnetischer Wechselwirkungen bilden“, erklärt Bernhard Keimer. „Wenn das so ist, sollte sich die Supraleitung durch Magnetismus beeinflussen lassen, um die Sprungtemperatur zu erhöhen.“ Dafür dürfte sich die spezielle Form des Magnetismus im LCMO zwar nicht eignen. Dieses Material ist nämlich ferromagnetisch, das heißt, die magnetischen Momente der einzelnen Atome orientieren sich wie im Eisen alle in eine Richtung. Und diese Form des Magnetismus bricht die Cooperpaare auf, schadet also der Supraleitung und senkt die Sprungtemperatur. Mit dem Material lässt sich aber sehr gut untersuchen, wie die Sprungtemperatur auf den Magnetismus reagiert und worauf dessen Einfluss im Detail beruht.

COMPAMED.de; Quelle: Max-Planck-Institut für Festkörperforschung