Erstaunliches Verhalten in Hochtemperatursupraleitern beobachtet

Trotz ihres Namens müssen Hochtemperatursupraleiter stark gekühlt werden, um supraleitend zu werden. Der Name rührt daher, dass die nötigen Temperaturen in der Regel nicht ganz so niedrig sind wie bei den länger bekannten konventionellen Supraleitern. Materialien, die auch bei Zimmertemperatur supraleitend wären, könnten helfen, viel Energie zu sparen, erklärt Thomas Devereaux, Leiter des Forschungsteams aus Stanford. Aber um solche Materialien zu entwickeln, müssen wir verstehen, was im Inneren der Materialien geschieht, wenn sie supraleitend werden. Unsere neusten Forschungsergebnisse tragen ein Puzzle-Stück zu diesem Verständnis bei.

Kupferoxid – ein keramisches Material – leitet normalerweise keinen Strom. Es kann aber zum Supraleiter werden, wenn man einen kleinen Teil der vorhandenen Atome durch Atome bestimmter anderer Elemente ersetzt, sodass die Zahl der beweglichen Elektronen im Material grösser oder kleiner wird – ein Verfahren, das man als Dotierung bezeichnet. Zusätzlich muss man das Material noch stark kühlen. Wie stark man das Material kühlen muss, hängt erstaunlicherweise davon ab, welche Art Atome man hinzugefügt hat: Waren es solche, die zusätzliche Elektronen liefern, muss man auf 30 Kelvin, also 30 Grad über dem absoluten Nullpunkt kühlen. Fügt man aber Atome bei, die die Zahl der Elektronen reduzieren, reicht es, auf 120 Kelvin zu kühlen. Ein Ziel des beschriebenen Forschungsprojekts war es, den Grund für dieses unterschiedliche Verhalten unter Dotierung herauszubekommen.

Zeigen wie sich Ladungsträger bewegen

Um zu bestimmen, wie sich die Eigenschaften des Materials durch die Dotierung ändern, nutzten die Forschenden eine moderne Experimentiertechnik mit Röntgenlicht – die resonante inelastische Röntgenstreuung RIXS. Die Experimente wurden am RIXS-Instrument an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts PSI durchgeführt. Diese Anlage hat die zurzeit höchste Auflösung weltweit und kann zeigen, wie sich die Elektronen unter Anregung durch Röntgenlicht bewegen, so Thorsten Schmitt, der für die Anlage verantwortliche Wissenschaftler am PSI. Bei einem RIXS-Experiment strahlt man Röntgenlicht auf die Probe. Dies regt in der Probe eine magnetische Welle – eine Spinwelle – an. Dabei gibt das Röntgenlicht einen Teil seiner Energie an die magnetische Welle ab. Vergleicht man die Energie des eingestrahlten Röntgenlichts mit jener des von der Probe gestreuten Röntgenlichts, erhält man Informationen über die Eigenschaften der angeregten magnetischen Welle (insbesondere deren Energie). Nirgendwo sonst auf der Welt kann die Energie solcher Anregungen so genau gemessen werden wie an unserem RIXS-Instrument am PSI, erklärt Schmitt.

Die Anregungen – oder Wellen – breiten sich durch das Material aus, wenn sich irgendwo eine Eigenschaft des Materials verändert. Bei den veränderten Eigenschaften kann es sich um die Verteilung der elektrischen Ladungen oder, wie hier, um die magnetische Ordnung im Material handeln. Eine magnetische Ordnung kann entstehen, weil sich Elektronen im Inneren mancher Materialien wie winzige Magnete verhalten. Sind diese Magnete in einem regelmässigen Muster angeordnet, hat man eine magnetische Ordnung. In dieser Ordnung können Wellen angeregt werden, wenn einzelne Magnete aus ihrer Position ausgelenkt werden und wenn sich diese Auslenkung von Magnet zu Magnet fortpflanzt. Dabei breitet sich die Anregung nicht unbedingt in der gleichen Richtung aus, in der die einzelnen Magnete ausgelenkt werden – so wie eine Wasserwelle sich entlang der Wasseroberfläche fortpflanzt, obwohl sich die einzelnen Wassermoleküle nur auf und ab bewegen. Für die magnetische wie für die Wasserwelle ist vor allem die Ausbreitungsrichtung der Welle als Ganzes wichtig. Das ist nämlich die Richtung, in der die Welle Energie transportiert, was im Fall der Wasserwelle zum Beispiel von Surfern ausgenutzt wird.

Experiment zeigt Erstaunliches

Die Experimente zeigten zweierlei Erstaunliches: Zum einen nahm in den untersuchten Materialien mit Elektronenüberschuss die magnetische Energie, die von den Anregungen transportiert wurde, in unerwartet hohem Ausmass zu. Zum anderen wurde in ebendiesen Materialien die Entstehung neuer kollektiver Anregungen festgestellt, berichtet Wei-Sheng Lee, Erstautor der Veröffentlichung. Es ist jedoch rätselhaft, warum man diese Phänomene in den elektronenarmen Materialien nicht beobachtet, denn eigentlich würde man in diesen ein ähnliches Verhalten erwarten wie in den Materialien mit Elektronenüberschuss.

Die neue Entdeckung ist ein weiterer Schritt auf dem langen und mühsamen Weg hin zum Verständnis der Hochtemperatursupraleitung. Seit den 1950er-Jahren wissen Wissenschaftler, warum bestimmte Metalle und einfache Legierungen supraleitend werden, wenn man sie auf wenige Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt kühlt. Ihre Elektronen finden sich zu Paaren zusammen, die von atomaren Schwingungen zusammengehalten werden, die wie eine Art virtueller Klebstoff wirken. Oberhalb einer bestimmten Temperatur hält der Klebstoff nicht mehr, weil die immer stärkere Bewegung der Atome in dem Supraleiter die Elektronen voneinander trennt und so die Supraleitung zum Verschwinden bringt.

Seit 1986 haben Forschende eine Reihe neuartiger Materialien entdeckt, die bei höheren Temperaturen (etwa 30 bis 120 Kelvin) supraleitend werden – die sogenannten Hochtemperatursupraleiter. Nun erhofft man sich, dass man langfristig Supraleiter erzeugen kann, die bei Zimmertemperatur oder sogar noch höheren Temperaturen supraleitend werden, wenn man besser versteht, wie diese Materialien funktionieren.

Wie Elektronen zu Paaren zusammenfinden

Doch noch ist unklar, wie die Paarung der Elektronen in Hochtemperatursupraleitern genau zustande kommt. Bis vor Kurzem ist man davon ausgegangen, dass die Elektronenpaare bei höheren Temperaturen von starken magnetischen Anregungen zusammengehalten werden, die durch Wechselwirkungen zwischen den Spins der Elektronen erzeugt werden. Neuste Computerberechnungen, die Forschende vom SLAC und der Universität Stanford erarbeitet haben, zeigen aber, dass die hochenergetischen magnetischen Wechselwirkungen nicht alleine für die Bildung von Elektronenpaaren und somit für die Hochtemperatursupraleitung verantwortlich sind.

Lee betont, dass auch nach den jüngsten Ergebnissen unklar ist, ob die neu beobachteten, kollektiven Anregungen der elektrischen Ladungen einen Zusammenhang mit der Paarung der Elektronen in den untersuchten Hochtemperatursupraleitern haben. Man weiss denn auch nicht, ob der neue Effekt für die Supraleitung in den untersuchten Materialien förderlich oder eher hinderlich ist.

Theoretische Physiker werden nun die neuen Ergebnisse in ihren Erklärungen zur Entstehung der Hochtemperatursupraleitung berücksichtigen müssen, sagt Thorsten Schmitt.

An der Arbeit beteiligt waren auch Forschende der folgenden Institutionen: Columbia University, University of Minnesota, Wissenschaftlich-Technische Universität AGH (Polen), National Synchrotron Radiation Research Center und National Tsing Hua University in Taiwan, und Chinesische Akademie der Wissenschaften. Die Forschung wurde finanziell gefördert vom Schweizerischen Nationalfonds SNF, dem Office of Science [Basic Energy Sciences] des Department of Energy DOE, U.S. National Science Foundation.

Der Film zeigt eine Spinwelle, die sich in einem antiferromagnetischen Material ausbreitet, also einem Material, in dem benachbarte Atome (Kugeln) entgegengesetzte Spins (Pfeile) haben. Wenn ein Photon (Lichtteilchen – als goldene Kugel dargestellt) mit der richtigen Wellenlänge ein Atom trifft und seinen Spin auslenkt, breitet sich diese Auslenkung durch das Material aus – ähnlich einer Welle auf der Wasseroberfläche. Diese Spinwellen können mit einem als RIXS bekannten Untersuchungsverfahren nachgewiesen werden. Dieses analysiert die Energie und den Impuls von Photonen, die durch das Material ausgesandt werden. Am Paul Scherrer Institut durchgeführte Experimente eines international zusammengesetzten Forschungsteams haben damit ein ungewöhnliches Verhalten von Spinwellen in einem supraleitenden Kupferoxid gezeigt. Das nächste Ziel ist zu untersuchen, ob und falls ja diese Anregung mit der Fähigkeit des Materials verbunden ist, Strom ganz ohne elektrischen Widerstand zu leiten. (Quelle: SLAC National Accelerator Laboratory, Martin Böhm, Alain Filhol and Mathieu Ippersiel/Neutrons4Science)

Text auf Grundlage einer Mitteilung des SLAC

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 350 Mio.