Eisenarsenid ist ein Supraleiter: Elektronen fließen bei bestimmten Spannungen widerstandslos durch ihn hindurch. Aber warum? Wissenschaftler haben nun erstmals belegt, dass nicht Gitterschwingungen wie bei konventionellen Supraleitern dafür verantwortlich sind, sondern magnetische Faktoren, wie sie in „Nature“ berichten.
Normalerweise stoßen sich Elektronen wegen ihrer gleichen Ladung ab. Doch beim Phänomen der Supraleitung wechselwirken sie mit den Schwingungen im Kristallgitter des Leiters und überwinden so die Abstoßung. Sie bilden Paare, die selbst wenn die Spannung abgeschaltet wird, widerstandslos weiterfließen. Bei solchen Materialien existiert dann eine so genannte Energielücke zwischen dem supraleitenden und dem normalen elektronischen Zustand, die konstant ist. Sie liegt bei immer dem gleichen Niveau zugeführter Energie. Doch es gibt auch Ausnahmen, die so genannten unkonventionellen Supraleiter. Bei diesen variiert die Energielücke mit der Richtung, in der sich die Elektronen im Material bewegen. In einigen Richtungen kann sie sogar bei Null liegen.
Rätsel der „festen“ Energielücke
Einer der unkonventionellen Supraleiter ist das Eisenarsenid. Von diesem nahmen Forscher bisher an, dass die Vibrationen des Gitters nicht für normale Supraleitung ausreichen, so dass es sich um einen unkonventionellen Leiter handeln muss. Möglicherweise, so die Vermutung, sind es magnetische Faktoren eher als die Schwingungen, die den widerstandslosen Fluss der Elektronen ermöglichen.
Andererseits aber scheint beim Eisenarsenid die Energielücke nicht variabel zu sein.
Wissenschaftler des Argonne Nationallaboratoriums in den USA gemeinsam mit Kollegen aus anderen Ländern haben nun das seltsame Verhalten des Eisenarsenids mithilfe einer speziellen Methode genauer untersucht. „Die Techniken, mit denen wir normalerweise unkonventionelle Supraleitfähigkeit aufdecken, funktionieren mit diesen Verbindungen nicht”, erklärt der Physiker Ray Osborn. „Inelastisches Neutronenscattering ist bisher die einzige Methode, mit der dies geht.“
Neutronenexperiment belegt Vorzeichenumkehr
Während bisherigen Techniken nicht nachweisen konnten, ob sich die Elektronenlücke beim Arsenid möglicherweise zwar nicht im Maß verändert, sich wohl aber in ihrem Vorzeichen umkehrt, ist dies mit dem Neutronenverfahren möglich. Dabei entdeckten die Forscher, dass Eisenarsenid im supraleitenden Zustand eine magnetische Anregung aufweist. Diese kann jedoch nur dann auftreten, wenn die Energielücke tatsächlich ihr Vorzeichen von einem Elektronenorbital zum nächsten ändert.
„Unsere Ergebnisse deuten daraufhin, dass der Mechanismus, der Elektronen zu Paaren macht, bei Eisenarsenid durch antiferromagnetische Fluktuationen und nicht durch Gitterschwingungen erzeugt wird“, so Rosenkranz. „Das gibt uns den Beweis, dass diese Supraleitung tatsächlich unkonventionell ist.“
(Argonne National Laboratory, 14.01.2009 – NPO)
