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Supraleitung ohne Kühlung

Ein infraroter Laserblitz verändert kurzzeitig die Struktur eines Hochtemperatursupraleiters und bricht dessen elektrischen Widerstand so schon bei Raumtemperatur

04.12.2014

© MPI für Struktur und Dynamik der Materie / Jörg Harms

Widerstandslos bei Raumtemperatur: Die resonante Anregung von Sauerstoff-Schwingungen (unscharf) zwischen CuO2 Doppelschichten (hellblau, Cu gelborange, O rot) mit kurzen Lichtblitzen führt zu einer kurzzeitigen Verschiebung der Atome im Kristallgitter weg von ihren Gleichgewichtspositionen. Diese Verschiebung bringt es mit sich, dass sich die Abstände von CuO2-Ebenen innerhalb einer Doppelschicht vergrößern und die Abstände zwischen Doppelschichten gleichzeitig verkleinern. Dies verstärkt höchstwahrscheinlich die Supraleitung.

Supraleitung ist ein bemerkenswertes Phänomen: Supraleiter können elektrischen Strom ohne jeden Widerstand und damit völlig verlustfrei transportieren. In manchen Nischen kommen sie bereits zum Einsatz, etwa als Magneten für Kernspintomographen oder Teilchenbeschleuniger. Allerdings müssen die Materialien dafür auf sehr tiefe Temperaturen gekühlt werden. Doch im vergangenen Jahr sorgte ein Experiment für eine Überraschung. Mit Hilfe von kurzen Infrarot-Laserblitzen war es Forschern erstmals gelungen, eine Keramik bei Raumtemperatur supraleitend zu machen – wenn auch nur für wenige millionstel Mikrosekunden. Jetzt stellt ein internationales Team, an dem Physiker des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg maßgeblich beteiligt waren, im Fachmagazin Nature eine mögliche Erklärung des Effekts vor: Demnach führen die Laserblitze zu kurzzeitigen Verschiebungen einzelner Atome des Kristallgitters und stärken dadurch die Supraleitung. Die Erkenntnisse könnten bei der Entwicklung von Materialien helfen, die bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden und dadurch für neue Anwendungen interessant wären.

Ursprünglich kannte man Supraleitung nur in einigen Metallen, und zwar bei Temperaturen knapp oberhalb des absoluten Nullpunkts bei minus 273 Grad Celsius. Doch in den achtziger Jahren entdeckten Physiker eine neue Klasse, basierend auf keramischen Materialien. Diese leiten Strom bereits bei Temperaturen von etwa minus 200 Grad Celsius verlustfrei, deshalb bezeichnet man sie als Hochtemperatursupraleiter. Eine dieser Keramiken ist die Verbindung Yttriumbariumkupferoxid (YBCO). Sie zählt zu den aussichtsreichsten Materialien für technische Anwendungen wie supraleitende Kabel, Motoren und Generatoren.

Der YBCO-Kristall hat eine spezielle Struktur: Dünne Doppelschichten aus Kupferoxid wechseln sich mit dickeren Zwischenlagen ab, die neben Kupfer und Sauerstoff auch Barium enthalten. Ausgangspunkt der Supraleitung sind die dünnen Kupferdioxid-Doppelschichten. Hier können sich Elektronen zu sog. Cooper-Paaren zusammenfinden. Diese Paare können zwischen verschiedenen Lagen „tunneln“, können diese Lagen bildlich gesprochen durchqueren wie Geister eine Wand  –  ein typischer Quanteneffekt. Supraleitend wird der Kristall allerdings erst unterhalb einer „kritischen Temperatur“. Erst dann nämlich tunneln die Cooperpaare nicht nur innerhalb der Doppelschichten, sondern „spuken“ auch durch die dickeren Lagen hindurch zur nächsten Doppelschicht. Oberhalb der kritischen Temperatur fehlt diese Kopplung zwischen den Doppelschichten, das Material wird ein schlecht leitendes Metall.

Das Resultat unterstützt Materialforscher bei der Entwicklung neuer Supraleiter

2013 hatte ein internationales Team um Max-Planck-Forscher Andrea Cavalleri entdeckt, dass YBCO, wenn man es mit Infrarot-Laserblitzen bestrahlt, kurzzeitig bei Raumtemperatur supraleitend wird. Offenbar hatte das Laserlicht die Kopplung zwischen den Doppelschichten im Kristall verändert. Der genaue Mechanismus aber blieb unklar – bis ihn die Physiker nun mit einem Experiment am LCLS enträtseln konnten, dem stärksten Röntgenlaser der Welt in den USA. „Zunächst schickten wir erneut einen Infrarotblitz in den Kristall, er regte bestimmte Atome zu Schwingungen an“, erläutert Max-Planck-Physiker Roman Mankowsky, Erstautor der aktuellen Nature-Studie. „Kurz darauf schickten wir einen kurzen Röntgenblitz hinterher, um die genaue Kristallstruktur des angeregten Kristalls zu vermessen.“

Das Ergebnis: Der Infrarotblitz hatte die Atome nicht nur in Schwingungen versetzt, sondern zusätzlich ihre Position im Kristall verschoben. Dadurch wurden die Kupferdioxid-Doppelschichten kurzzeitig um zwei Pikometer – ein Hundertstel Atomdurchmesser – dicker, die Lage zwischen ihnen um denselben Betrag dünner. Das wiederum erhöhte die Quanten-Kopplung zwischen den Doppelschichten so stark, dass der Kristall für wenige Pikosekunden bei Raumtemperatur supraleitend wurde.

Zum einen hilft das neue Resultat, die noch unvollständige Theorie der Hochtemperatursupraleiter zu verfeinern. „Zum anderen könnte es Materialforscher dabei unterstützen, neue Supraleiter mit höheren Sprungtemperaturen zu entwickeln“, sagt Mankowsky. „Bis hin zum Traum eines Supraleiters, der bei Raumtemperatur funktioniert und ganz ohne Kühlung auskommt.“ Bislang müssen supraleitende Magnete, Motoren und Kabel noch mit flüssigem Stickstoff oder Helium auf extreme Minusgrade gebracht werden. Könnte man auf diese aufwendige Kühlung verzichten, dürfte das für die Technik einen Durchbruch bedeuten.

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