Supraleitung ist ein Phänomen, das bei vielen metallischen Materialien auftritt, wenn sie stark genug abgekühlt werden: Unterhalb einer kritischen Temperatur können sie elektrischen Strom völlig verlustfrei leiten. Besonders interessant für technische Anwendungen sind Materialien, die bei vergleichsweise hohen Temperaturen supraleitend werden. Bisher war jedoch umstritten, welche Ursache den supraleitenden Fähigkeiten dieser Materialien zugrunde liegt. Nun ist ein internationales Wissenschaftlerteam bei diesem Problem einen entscheidenden Schritt weiter gekommen.
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Danach könnten magnetische Anregungen im Material eine wesentliche Rolle bei der Entstehung der Supraleitung spielen. Dies berichten die Forscher um Professor Thomas Dahm vom Institut für theoretische Physik der Universität Tübingen in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, sowie den Universitäten Würzburg und Santa Barbara (USA) in der Fachzeitschrift „Nature Physics“.
Die Ursache des Phänomens der Supraleitung liegt darin, dass die Elektronen sich durch Anziehung zu Paaren binden. In konventionellen Supraleitern entsteht diese Anziehung durch die Schwingungen des atomaren Kristallgitters des jeweiligen Materials. Die meisten Supraleiter müssen bis auf wenige Grade an den absoluten Temperaturnullpunkt heran abgekühlt werden, ehe sie supraleitend werden.
Schwingungen des Kristallgitters entscheidend?
1987 erhielten die Physiker J. Georg Bednorz und K. Alex Müller den Nobelpreis für die Entdeckung der so genannten Hoch-TC-Kuprate. Diese Materialien zeichnen sich durch besonders hohe kritische Temperaturen aus, das heißt, dass sie weniger stark gekühlt werden müssen, um supraleitend zu werden.
Bis heute ist unter Experten jedoch umstritten, ob auch in diesen Materialien die Anziehung der Elektronen durch die Schwingungen des Kristallgitters hervorgerufen wird oder aber durch einen anderen Mechanismus. Einer der möglichen Mechanismen besteht in der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Elektronen. Magnetismus liegt als eine Erklärungsmöglichkeit nahe, weil diese Materialien starke magnetische Fluktuationen aufweisen.
Um der Frage nachzugehen, ob magnetische Anregungen in der Lage sind, die Anziehung zwischen den Elektronen in den Hoch-TC-Kupraten zu erklären, wurden vom Forscherteam erstmals zwei verschiedene hochauflösende spektroskopische Methoden zur Untersuchung desselben Kristalls genutzt: inelastische Neutronenstreuung und Photoemissionsspektroskopie. Mit Hilfe der inelastischen Neutronenstreuung kann man magnetische Anregungsspektren ausmessen, während die Photoemissionsspektroskopie die spektralen Eigenschaften der Elektronen bestimmen kann.
Aussagekräftige Messergebnisse
Die Messungen der inelastischen Neutronenstreuung wurden von Vladimir Hinkov und Professor Bernhard Keimer am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart durchgeführt und analysiert, die Photoemissionsspektren wurden von der Arbeitsgruppe von Sergey Borisenko am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden aufgenommen.
Dahm, der am Institut für Theoretische Physik der Universität Tübingen arbeitet, hat die experimentellen Daten aus Stuttgart und Dresden mit Hilfe von theoretischen Rechnungen daraufhin untersucht, ob sich ein Zusammenhang zwischen den magnetischen Eigenschaften und denen der Elektronen feststellen lässt. Durch die Rechnungen konnte er nachweisen, dass sich die Charakteristik der magnetischen Anregungen quantitativ in den spektralen Eigenschaften der Elektronen wiederfindet.
Wie sich Elektronenpaare bilden
Die Forscher haben durch die theoretischen Rechnungen ebenfalls gezeigt, dass die Stärke der Anziehung der Elektronen durch die magnetischen Anregungen groß genug ist, um die hohe kritische Temperatur der Supraleiter zu erklären. Beides zusammen weist darauf hin, dass magnetische Anregungen – im Gegensatz zu Schwingungen des Kristallgitters – eine wesentliche Rolle bei der Bildung der Elektronenpaare in den Hoch-TC-Kupraten spielen.
Damit ist es wahrscheinlich, dass in den Hochtemperatur-Supraleitern tatsächlich ein anderer Mechanismus die besondere Eigenschaft der Materialien verursacht als in konventionellen Supraleitern, so die Wissenschaftler in „Nature Physics“.
(idw – Universität Tübingen, 19.01.2009 – DLO)
