Neue Erkenntnisse in der Supraleiter-Forschung

Die Experimente wurden an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle (SINQ) des Paul Scherrer Instituts (PSI) durchgeführt, die einen kontinuierlichen Strahl von Neutronen produziert. Mit deren Hilfe kann man in das Innere von Materialien schauen, ohne sie zu zerstören. Das Forschungsteam hat nun entdeckt, dass ein magnetisches Feld mit den Elektronen in Inneren eines Supraleiters auf eine Weise interagieren kann, wie dies zuvor noch nicht beobachtet werde konnte. Aus den Experimenten kann man Rückschlüsse auf die Paarbildung von Elektronen in magnetischen Supraleitern schliessen. Das Team besteht aus Forschern von verschiedenen Universitäten: University of Montreal, der ETH Zürich, dem PSI, der University of Notre Dame, der University of Birmingham, dem Los Alamos National Laboratory und dem Brookhaven National Laboratory.

Verbindung zwischen Magnetismus und Supraleitung

Laut Michel Kenzelmann, Wissenschaftler am PSI und Professor an der ETH Zürich, zeigen die Resultate eine fundamentale Verbindung zwischen Magnetismus und Supraleitung auf. Unsere Beobachtungen bieten einen neuartigen Einblick in die exotischen Eigenschaften von magnetisch induzierter Supraleitung.

In ihren Experimenten kühlten die Forscher einen Einkristall bestehend aus den Elementen Cerium, Kobalt und Indium (CeCoIn₅) auf sehr niedrige Temperaturen ab, auf minus 273,1 Grad. Bei diesen Temperaturen hören alle atomaren Bewegungen auf. Unter solchen Bedingungen schliessen sich die Elektronen im verwendeten Material zu Paaren zusammen. Dadurch wird der supraleitende, elektrisch widerstandsfreie Zustand erreicht, der es ermöglicht, den Strom verlustfrei zu transportieren. Durch magnetische Felder können die Elektronen-Paare zerstört und die Supraleitung aufgehoben werden. Deshalb werden Supraleiter gegen magnetische Felder abgeschirmt. Gelingt dies nicht vollständig, können elektrische Ringströme entstehen, die einen elektromagnetischen Wirbel, einen sogenannten Vortex, bilden. Sie wirken dem äusseren Feld entgegen und ordnen sich in einem regelmässigen Gitter, einem Vortexgitter an.

Leim für die Elektronen

Dieser Vorgang konnte jetzt auch beim Versuch mit CeCoIn₅ beobachtet werden. Für die Forscher völlig überraschend war jedoch, dass die Vortex-Struktur in CeCoIn₅ nicht nur aus elektrischen Ringströmen bestand. In ihrem Innern gab es zusätzlich magnetische Dipolmomente, die mit der Magnetfeldstärke grösser wurden. Wahrscheinlich, so die Forscher, hänge die neu entdeckte Vortex-Struktur direkt mit den starken Bewegungen der magnetischen Dipolmomente zusammen. Sie würden als Leim für die Elektronen dienen und dadurch zum supraleitenden Kondensat in CeCoIn₅ führen.

Das Verständnis des Kopplungsmechanismus von Elektronen in exotischen Supraleitern wird klären, inwieweit Supraleitung bei hohen Temperaturen für technologische Anwendungen ausgenutzt werden kann. Unsere Resultate sind ein Schritt in diese Richtung, erklärt Kenzelmann.