Hochtemperatur-Supraleiter geben Rätsel auf

Unerklärlicher Effekt: Ein neu entdecktes Verhalten bei Hochtemperatur-Supraleitern widerspricht allen gängigen Theorien. Werden diese Cuprate mit immer mehr zusätzlichen Elektronenlieferanten „dotiert“, dann nimmt die Dichte supraleitender Elektronen in ihnen ab statt wie erwartet zu. Warum diese Elektronen verschwinden, ist rätselhaft – und mit der Standarderklärung der Supraleitung nicht vereinbar, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.

In einem konventionellen Supraleiter fließt Strom ohne Widerstand – allerdings erst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Die Elektronen im Kristallgitter des Materials bilden dann sogenannte Cooper-Paare. In diesem ungewöhnlichen Quantenzustand verhalten sie sich wie eine Superflüssigkeit und können sich daher ohne Reibungsverluste bewegen – das Material wird supraleitend.

„Rätsel seit mehr als 30 Jahren“

Doch es gibt Materialien, die schon bei höheren Temperaturen von „nur“ minus 100 Grad supraleitend werden. Diese sogenannten Hochtemperatur-Supraleiter bestehen meist aus Kupferverbindungen, sogenannte Cupraten, die mit Fremdatomen versetzt sind. Dieses Dotieren liefert zusätzliche, frei bewegliche Elektronen, die das normalerweise nichtleitende Material zum Supraleiter machen.

Strittig ist bisher jedoch, wie genau die Supraleitung bei diesen Cupraten funktioniert. „Die Festkörperphysik versucht schon seit mehr als 30 Jahren, das Rätsel der Hochtemperatur-Supraleiter zu lösen“, erklärt Studienleiter Ivan Bozovic vom Brookhaven National Laboratory. Man nimmt an, dass die Cooper-Paare bei ihnen fester aneinander gekoppelt sind, dadurch werden sie von den stärkeren Schwingungen des wärmeren Atomgitters nicht zerrissen.

Gängiger Theorie nach soll sich aber das Elektronenverhalten von Cupraten und konventionellen Supraleitern angleichen, wenn man die Sprungtemperatur der Cuprate durch „Überdotierung“ mit Fremdatomen weiter absenkt.

Gepaarte Elektronen, sogenannte Cooper-Paare, gelten als Basis für die Suptraleitung. Doch bei überdotierten Cupraten verhalten sie sich anders als erwartet. © Brookhaven National Laboratory

Cuprat-Herstellung Atom für Atom

Das zu testen, ist jedoch alles andere als einfach, denn Cuprate sind extrem komplex strukturiert und wenn sie zu viele Fremdatome aufnahmen, werden sie chemisch instabil. „Cuprate können bis zu 50 Atome pro Gitterzelle aufweisen und die beteiligten Elemente können hunderte verschiedener Verbindungen bilden“, erklärt Bozovic. „Das führt dazu, dass man eine Mischung verschiedener Phasen erhält.“

Um das zu vermeiden, haben die Forscher eine Methode entwickelt, mit der sie Cuprate aus Kupfer, Lanthan Sauerstoff und Strontium gezielt Atom für Atom auf eine Unterlage auftragen können. Auf diese Weise blieb die nötige regelmäßige Kristallstruktur auch bei einer Überdotierung mit Strontium erhalten. Die Wissenschaftler erzeugen so 2.500 verschiedenen Cupratproben und analysierten ihre magnetischen und elektronischen Eigenschaften.

Unerwartete Reaktion

Dabei zeigte sich: Je mehr zusätzliche Strontiumatome die Forscher ins Cuprat gaben, desto stärker sank die Sprungtemperatur ab – das entsprach den Erwartungen. Gänzlich unerwartet aber waren die Auswirkungen auf die Dichte der Cooper-Paare. Statt mit steigender Menge des elektronenliefernden Strontiums zuzunehmen, wurden sie immer weniger, wie die Forscher berichten.

Die Sprungtemperatur und die Dichte der superfluiden Elektronenpaare verhalten sich protportional zueinander. © Brookhaven National Laboratory

„Wir haben festgestellt, dass es einen linearen Zusammenhang gibt zwischen der Sprungtemperatur des Supraleiters und der Dichte der Superflüssigkeit“, berichtet Bozovic. Je mehr die für die Supraleitung benötigte Temperatur sinkt, desto weniger Elektronenpaare finden sich im Material. „Nach dem geltenden Verständnis der Supraleitung ist das völlig unerwartet.“

„Zurück an den Schreibtisch“

Diese Überraschung spricht nach Ansicht der Forscher dafür, dass in Hochtemperatur-Supraleitern andere Prozesse am Werk sind als bisher angenommen. Dies wiederum könnte entscheidende Hinweise dafür geben, warum einige Materialien schon bei relativ hohen Temperaturen zu Supraleitern werden – wenn man denn den Mechanismus versteht.

Ähnlich sieht es auch Jan Zaanen von der Universität Leiden in einem begleitenden Kommentar: „Die einfache Beziehung zwischen der Superfluid-Dichte und der kritischen Temperatur deutet darauf hin, dass im überdotierten Cuprat ein grundlegendes Prinzip am Werk sein muss“, konstatiert er. „In der gesamten Literatur aber findet sich nichts, was Licht in dieses Dunkel bringen würde.“ Den Physikern bleibe daher nichts anderes übrig, als nach neuen Erklärungen zu suchen. (Nature, 2016; doi: 10.1038/nature19061)

(DOE/Brookhaven National Laboratory, 19.08.2016 – NPO)