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Wie ein Material zum Supraleiter wird

Phänomen der Elektronenpaare beobachtet

11.07.2017

Peter O. Sprau, Yi Xue Chong, Cornell University

Cooper-Paare auf mikroskopischer Skala: Die Eisenatome in eisenbasierten Supraleitern bilden ein Quadratgitter mit jeweils zwei aktiven Orbitalen.

Hochtemperatur-Supraleiter sind Materialien, die bei tiefen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verlieren und damit Strom ohne Verlust transportieren können - und das im Gegensatz zu konventionellen Supraleitern bereits bei vergleichsweise hohen Temperaturen. Trotz ihrer potenziellen Bedeutung für die Elektronik und die Medizintechnik war bisher nicht bekannt, wie der physikalische Mechanismus hinter der Hochtemperatur-Supraleitung funktioniert.

Ein internationales Forscherteam der Universität Leipzig und insbesondere der Universität von Cornell, USA, hat nun eine entscheidende Erkenntnis hin zu einem besseren Verständnis errungen - ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zu einer breiteren Nutzung dieser Technologie.

Für die technologische Anwendung ist es erstrebenswert, Supraleiter zu verwenden, die eine hohe sogenannte Sprungtemperatur haben. Oberhalb dieser Temperatur befindet sich das Material im normal leitenden, unterhalb davon im supraleitenden Zustand. Bei Hochtemperatursupraleitern (HTSL) kann wegen ihrer höheren Sprungtemperatur für die Kühlung der preiswertere flüssige Stickstoff verwendet werden - statt des wesentlich teureren, flüssigen Heliums bei herkömmlichen Supraleitern.

Obwohl HTSL bereits seit vielen Jahren bekannt sind, hat man bisher noch nicht genau verstanden, wie der physikalische Mechanismus dahinter funktioniert und warum manche der Materialien bereits bei Temperaturen von über 100 Kelvin, etwa -170 Grad Celsius, zum Supraleiter werden, andere mit ganz ähnlichen kristallinen Strukturen jedoch erst unter 10 Kelvin, etwa -260 Grad Celsius, und andere wiederum gar nicht. Würde man diese Zusammenhänge besser verstehen, so wäre es in Zukunft eventuell möglich, diese Leitung von Strom ohne Verluste auch bei höheren Temperaturen zu erreichen.

Physiker der Universität Leipzig haben nun gemeinsam mit ihren US-amerikanischen und dänischen Kollegen einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einem besseren Verständnis getan: Voraussetzung für die Supraleitung ist, dass bei tiefen Temperaturen zwischen zwei Elektronen eine anziehende Wechselwirkung entsteht. Dadurch können sich zwischen zwei Elektronen mit unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften, das heißt, unterschiedlichem Eigendrehimpuls, die sogenannten Cooper-Paare bilden. Diese tragen dann dazu bei, den Strom verlustfrei durch den Supraleiter zu transportieren. Das Forscherteam konnte nun herausfinden, wie es zu dieser selektiven Paarbildung kommen kann.

"Wir haben beobachtet, dass es zwei Arten von Elektronen gibt, die sich durch elektronische Zustände, also ihren Aufenthalt in unterschiedlichen Orbitalen, unterscheiden. Elektronen in einem bestimmten Orbital bilden Cooper-Paare, während Elektronen des anderen Orbitals zur notwendigen Wechselwirkung beitragen. Das eine Elektron ist in Längsrichtung ausgerichtet, das andere Elektron vor allem in Querrichtung", erklärt Dr. Andreas Kreisel, Wissenschaftler am Institut für Theoretische Physik an der Universität Leipzig und einer der beteiligten Forscher. "Entscheidend für die Cooper-Paarung ist, dass die Elektronen in jeweils verschiedenen elektronischen Zuständen, Orbitalen, sind."

Zu diesen Erkenntnissen gelangten die Physiker anhand von Eisen-Selenid, einem eisenbasierten HTSL, der sich unter anderem durch seinen einfachen chemischen Aufbau gut eignet, um die Mechanismen der Supraleitung aufzuklären. Untersucht haben die Wissenschaftler die Eigenschaften der Elektronen wiederum mithilfe der Scanning-Tunneling-Mikroskopie. Dabei wird eine atomar dünne Nadelspitze über die Oberfläche des Eisen-Selenid-Kristalls bewegt und eine elektrische Spannung angelegt. Misst man dann den elektrischen Strom, lassen sich Strukturen von sub-atomarer Größe auflösen und Unregelmäßigkeiten aufspüren. Anhand der Interferenzmuster an diesen Unregelmäßigkeiten konnten sie schließlich schlussfolgern, dass Supraleitung selektiv nur von einer der beiden Arten von Elektronen ausgehen kann.

Das Thema Supraleiter beschäftigt die Physik bereits seit mehreren Jahrzehnten. Bisher sind zu keinem anderen Einzelthema mit fünf Nobelpreisen so viele dieser höchsten wissenschaftlichen Auszeichnungen verliehen worden - und entsprechend groß ist das Interesse daran, die richtige Theorie hinter der Supraleitung zu finden. Falls es tatsächlich gelänge, ein bei gewöhnlicher Umgebungstemperatur supraleitendes Material zu finden, würde dies höchstwahrscheinlich die moderne Technik tiefgreifend verändern.

Originalveröffentlichung:

P. O. Sprau et al.; "Discovery of orbital-selective Cooper pairing in FeSe"; Science; 2017; Vol. 357, Issue 6346, pp. 75-80

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