Frqankfurter Allgemeine Zeitung, 24.04.2002:

Das Rätsel der Hochtemperatur-Supraleitung

Fluktuierende Elektronenspins / Cooper-Paare mit minimaler magnetischer und kinetischer Energie

Rund 15 Jahre ist es her, daß die Verbindung Lanthan-Barium-Kupferoxyd entdeckt wurde, die bereits bei minus 238 Grad supraleitend wird. Das war überraschend, da man bis dahin nur Metalle und Legierungen kannte, die erst bei wesentlich tieferen Temperaturen ihren Widerstand verlieren. Inzwischen wurden weitere Verbindungen mit noch höheren Sprungtemperaturen gefunden. Über den Mechanismus, der die Hochtemperatur-Supraleitung hervorruft, herrscht indes immer noch keine Einigkeit. Ein besseres Verständnis würde es erleichtern, gezielt Materialien mit noch höheren Sprungtemperaturen zu entwickeln und könnte die Türen zu verschiedensten Anwendungen öffnen. In jüngster Zeit haben mehrere Forschergruppen neue Erkenntnisse gewonnen, die für die Erklärung des Phänomens von entscheidender Bedeutung sein könnten.

Das Phänomen der Supraleitung ist schon seit 1911 bekannt, als der holländische Physiker Heike Kammerlingh-Onnes herausfand, daß Quecksilber seinen elektrischen Widerstand vollkommen verliert, wenn man es mit flüssigem Helium bis auf minus 269 Grad kühlt. Danach dauerte es aber noch fast ein halbes Jahrhundert, bis die späteren Nobelpreisträger John Bardeen, Leon N. Cooper und John R. Schrieffer die sogenannte BCS-Theorie formulierten. Mit ihr ließ sich der Mechanismus der Supraleitung verstehen, allerdings nur nahe dem absoluten Nullpunkt. Danach ist der verlustfreie Stromfluß auf eine Paarung von Elektronen zurückzuführen, die ihre gegenseitige elektrostatische Abstoßung überwunden haben und reibungsfrei durch das Kristallgitter wandern.

Die Elektronen-Paare bilden sich auf eine komplizierte Weise. Dabei spielen Schwingungen des Kristallgitters, die "Phononen", die entscheidende Rolle. Ein Elektron, das sich innerhalb des Kristalls bewegt, verändert die natürlichen Schwingungen des Kristallgitters. Durch die Verformung wird ein zweites Elektron angezogen, das sich mit dem ersten verbindet. Diese Cooper-Paare bilden dabei ein System niedrigster Energie.

Für die Bildung von Elektronen-Paaren in Hochtemperatur-Supraleitern bedarf es einer stärkeren Kraft. Bislang ist jedoch unklar, was die Elektronen so stark bei Temperaturen aneinander bindet, bei denen herkömmliche Supraleiter längst normalleitend werden. Einige Forscher glauben, daß für die Paarung magnetische Wechselwirkungen verantwortlich sind. Die Befürworter dieser Theorie stützen sich auf Streuexperimente mit Neutronenstrahlen, die tief in das Material eindringen können. Da die Teilchen außerdem ein magnetisches Moment besitzen, sind sie für die magnetischen Felder empfindlich, die die Eigendrehimpulse der Elektronen erzeugen.

Bei früheren Untersuchungen hatte man entdeckt, daß sich die Elektronenspins in Hochtemperatur-Supraleitern grundsätzlich anders verhalten als in herkömmlichen Supraleitern. Während sie in diesen vollkommen ungeordnet sind, zeigen sie in Kupferoxyd-Supraleitern eine antiferromagnetische Ordnung. Der Spin jedes zweiten Elektrons zeigt genau in die entgegengesetzte Richtung wie der Spin des ersten. Allerdings fluktuiert dieses Ordnungsmuster, es entsteht und vergeht innerhalb kurzer Zeitspannen. Man nimmt nun an, daß es für Cooper-Paare einfacher ist, durch den Hintergrund fluktuierender Elektronenspins zu wandern als für einzelne Elektronen. Die gepaarten Elektronen würden auf diese Weise magnetische Energie sparen.

Solche Spinfluktuationen wurden bislang nur in Hochtemperatur-Supraleitern nachgewiesen, in denen die Kupferoxyd-Schichten eng benachbart sind. Deshalb bestand der Verdacht, die Spinfluktuationen hätten etwas mit der speziellen Struktur des Kristalls zu tun und weniger mit der Hochtemperatur-Supraleitung an sich. Diesen Zweifel haben Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, vom Centre d'Energie Atomique in Gif sur Yvette bei Paris und von der Russischen Akademie der Wissenschaften in Chernogolovka kürzlich ausgeräumt ("Science", Bd. 295, S. 604). Sie konnten mit der Neutronenstreuung zeigen, daß Spinfluktuationen auch in einem Tellur-Barium-Kupferoxyd auftreten, bei dem die Oxyd-Schichten zu weit auseinander liegen, als daß sie sich beeinflußten.

Um jedoch sicher sein zu können, daß die Hochtemperatur-Supraleitung eine magnetische Ursache hat, müßte man weitere Kupferoxyd-Verbindungen untersuchen, besonders jene mit einer besonders hohen Sprungtemperatur. Aber auch das wäre noch kein endgültiger Beweis, daß die Elektronenpaarung allein auf magnetischen Kräften beruht, wie ein anderes Experiment kürzlich gezeigt hat.

Forscher von der Universität Groningen haben kürzlich nachgewiesen, daß sich in Hochtemperatur-Supraleitern die kinetische Energie der Elektronen drastisch erniedrigt, wenn sich diese zu Paaren zusammenfinden. Dadurch würde sich die effektive Masse der Cooper-Paare verringern, die sich nun leichter durch das Kristallgitter bewegen könnten ("Science", Bd. 295, S. 2239). Ein Verhalten, das bei herkömmlichen Supraleitern nicht auftritt. Dirk van der Marel und seine Kollegen bestrahlten bei ihren Experimenten ein Kupferoxyd aus Wismut, Strontium und Kalzium, das bei minus 185 Grad supraleitend wird, mit Licht verschiedener Wellenlängen und ermittelten das Absorptionsverhalten. Dabei fanden sie heraus, daß das Kupferoxyd im supraleitenden Zustand bevorzugt infrarotes Licht absorbiert - also mehr energieärmere Photonen - als im normalleitenden Zustand. Für die Forscher ein eindeutiger Hinweis, daß die kinetische Energie der Cooper-Paare minimal ist.

MANFRED LINDINGER

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 24.04.2002, Nr. 95 / Seite N1

 

 

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