Mysteriösen Vorgängen in Supraleitern mit hohem Druck auf der Spur

| Redakteur: Michael Eckstein

Unter Druck: Mithilfe von Aktoren auf Basis des Piezoeffekts bringen die Forscher kontrolliert Druck auf eine mikroskopische, supraleitende Probe auf.
Unter Druck: Mithilfe von Aktoren auf Basis des Piezoeffekts bringen die Forscher kontrolliert Druck auf eine mikroskopische, supraleitende Probe auf. (Bild: KIT)

Supraleiter könnten die Elektronik und Energieversorgung revolutionieren. Doch sie funktionieren bislang nur bei extremer Kälte. Ein neues Untersuchungsverfahren soll helfen, die mysteriösen Vorgänge in Supraleitern zu ergründen.

Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben konkurrierende Zustände mit hochauflösender inelastischer Röntgenstreuung untersucht und festgestellt, dass hoher einachsiger Druck die Elektronen ordnet. Ihre Studie eröffnet neue Einblicke in die Funktion elektronisch korrelierter Materialien – zum Beispiel Supraleiter.

Strom ohne Verluste transportieren – bislang ist dieser heilig Gral der Elektronik und Energieversorgung nur mit einem extrem hohen Aufwand zu erreichen. Das Vehikel dazu sind Supraleiter, die elektrischem Strom keinen Widerstand mehr entgegensetzen. Das Problem: Bisherige Supraleiter müssen fast bis zum absoluten Nullpunkt von minus 273 °C heruntergekühlt werden. Zwar gibt es so genannte Hochtemperatur-Supraleiter – doch ist der Begriff irreführend: Denn auch diese Materialien benötigen extreme Kälte von etwa minus 200 °C, um Elektronen widerstandsfrei leiten zu können. Trotz der aufwendigen Kühlung werden Supraleiter bereits in einigen Bereichen eingesetzt.

Weltweit versuchen Wissenschaftler zu ergründen, welche Zustände und Vorgänge in Materialien für das supraleitende Verhalten entscheidend sind. Dies ist letztlich die Bedingung dafür, Supraleiter zu entwickeln zu können, die auch bei höheren Temperaturen – eventuell sogar bei Raumtemperatur – funktionieren.

Vorgänge in supraleitenden Materialien besser verstehen

Forscher um Professor Matthieu Le Tacon, Leiter des Instituts für Festkörperphysik (IFP) des KIT, sind dabei nun einen wesentlichen Schritt vorangekommen: Sie haben gezeigt, dass hoher einachsiger Druck konkurrierende Zustände in einem Hochtemperatur-Supraleiter kontrollieren kann. Neben dem IFP des KIT waren das Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, das Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden, die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble/Frankreich und die Universidad Nacional de La Plata/Argentinien an der Studie beteiligt. Eine Publikation in der Zeitschrift Science stellt die Ergebnisse vor.

Mit hochauflösender inelastischer Röntgenstreuung haben die Forscher den Hochtemperatur-Supraleiter YBa2Cu3O6.67 untersucht. Dabei haben sie eine Probe mit Röntgenstrahlen beschossen und das Streulicht detailliert vermessen. Der Supraleiter YBa2Cu3O6.67 gehört zur Gruppe der Kupraten. Die Bezeichnung leitet sich vom lateinischen „Cuprum“ für Kupfer ab und steht für komplexe chemische Verbindungen aus Kupfer, Sauerstoff und anderen Elementen. Kupfer- und Sauerstoffatome bilden zweidimensionale Strukturen. Werden Ladungsträger in diese Ebenen eingeführt, kommt es zu komplexen und miteinander konkurrierenden Zuständen: Die Kopplung zwischen Ladungsträgern führt zur Supraleitung, eine starre Ladungsordnung dagegen verhindert sie.

Je nach Nanostruktur sind die Ladungsträger beweglich oder unbeweglich

Zu den Ladungsordnungszuständen gehört die Anordnung der Ladungsträger in streifenförmigen Nanostrukturen. Diese macht die Ladungsträger unbeweglich und unterdrückt so die Supraleitung. Auch periodische Schwankungen in der Verteilung der elektrischen Ladungen, sogenannte Ladungsdichtewellen (CDW – charge density waves), verhindern die Supraleitung. Durch gezieltes Dotieren mit bestimmten Stoffen oder durch externe Magnetfelder lassen sich diese Zustände variieren. Gitterfehler und zufällig festgehaltene magnetische Wirbel erschweren jedoch das Interpretieren der experimentellen Ergebnisse.

Bei ihren Experimenten haben die Forscher aus Karlsruhe, Stuttgart, Dresden, Grenoble und La Plata nun festgestellt, dass einachsiger Druck es möglich macht, das Verhältnis zwischen Ladungsdichtewellen und Supraleitung präzise zu untersuchen. Sie konnten nachweisen, dass hoher Druck entlang der Kristallachse a des untersuchten Hochtemperatur-Supraleiters YBa2Cu3O6.67 zu einem weitreichenden dreidimensionalen Ladungsdichtewellen-Zustand führt, ohne dass dazu Magnetfelder erforderlich sind.

Mit dieser Zustandsänderung ist auch eine starke Dämpfung der Gitterschwingungsanregung verbunden. „Unsere Ergebnisse ermöglichen neue Einblicke in die Funktion von Hochtemperatur-Supraleitern und anderen elektronisch korrelierten Materialien“, erklärt Professor Matthieu Le Tacon vom KIT. Sie würden zudem zeigen, dass einachsiger Druck das Potenzial hat, die Ordnung der Elektronen in solchen Materialien zu kontrollieren.

Die Ergebnisse könnten die Grundlage für entscheidende Erkenntnisse bilden, die das Entwickeln neuer supraleitender Materialien ermöglichen.

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