Magnetismus kann Widerstand brechen
Magnetische Wechselwirkungen könnten bewirken, dass manche Supraleiter Strom schon bei relativ hohen Temperaturen verlustfrei leiten
Manches Problem können Forscher nur knacken, wenn sie es vereinfachen. Das versuchen Physiker des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart jetzt mit der Frage, warum einige Supraleiter Strom schon bei relativ hohen Temperaturen ohne Widerstand leiten. Sie haben festgestellt, dass Eisenarsenide, eine erst kürzlich entdeckte, Klasse von Supraleitern, die Erklärung erleichtern könnten: Die metallischen Eisenarsenide sind physikalisch einfacher zu verstehen und lassen sich theoretisch besser beschreiben als keramische Kuprate, die derzeit bei den höchsten, für viele Anwendungen aber immer noch unbrauchbaren Temperaturen supraleitend werden. Die Wissenschaftler haben zudem Hinweise gefunden, dass die Supraleitung in Eisenarseniden und somit vielleicht auch in den Kupraten über einen magnetischen Mechanismus entstehen könnte. Ein besseres Verständnis der Zusammenhänge wird letztlich dazu beitragen, Materialien zu finden, die bei noch höheren Temperaturen supraleitend werden.
Bislang halten Supraleiter nicht ganz, was man sich von ihnen versprochen hat: Supraleitende Magnete ermöglichen in Forschung und Medizin zwar sehr genaue Messungen mit Kernspintomografen, sie halten die Protonen auf Spur, die durch den Large Hadron Collider flitzen, und in mehr oder weniger großen Pilotversuchen transportieren supraleitende Kabel auch schon Strom ohne Verluste. Doch als Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller vor 23 Jahren die Hochtemperatur-Supraleiter entdeckten, war die Euphorie groß, dass sie Strom bald im großen Stil ohne Verluste leiten würden. Diese Hoffnung haben sie bislang noch nicht erfüllt - weil selbst die Hochtemperatur-Supraleiter nur bei sehr tiefen Temperaturen den Widerstand verlieren. Den Rekord hält derzeit eine Keramik, die neben Kupfer und Sauerstoff auch Quecksilber, Barium und Kalzium enthält. Sie verliert ihren Widerstand bei einer Sprung-Temperatur von etwa minus 135 Grad Celsius. Als Stromkabel eignen sich die Keramiken zudem nicht gut, weil sie brüchig sind und keine besonders starken Ströme leiten.
Erklärungshilfe für Rekord-Supraleiter
Um gezielt nach Supraleitern suchen zu können, die Strom bereits bei alltagstauglichen Temperaturen verlustfrei leiten, wollen Physiker verstehen, wie die Supraleitung in den derzeitigen Rekordhalten entsteht. Dabei könnten die neuen Erkenntnisse der Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart sehr hilfreich sein. Ihre Untersuchungen helfen nämlich, die Supraleitung in Eisenarseniden zu erklären.
Erst seit etwa zwei Jahr ist bekannt, dass diese metallischen Materialien bei Temperaturen von bislang höchstens minus 220 Grad unter Null zu Supraleitern werden. Obwohl diese Sprungtemperatur relativ niedrig liegt, sind sie wegen ihrer mechanischen Eigenschaften und Verarbeitbarkeit für Anwendungen vielversprechend. Und für Physiker sind sie allemal interessant: "Wir vermuten, dass die Supraleitung hier auf ähnliche Weise entsteht wie in den Kupraten", sagt Vladimir Hinkov, der die aktuellen Untersuchungen am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung leitete.
Dafür spricht aus seiner Sicht unter anderem, dass beide trotz vieler Unterschiede erstaunlich ähnliche magnetische Eigenschaften besitzen und dass sie wie die Kuprate in Schichten aufgebaut sind. In mancher Hinsicht scheinen die Eisenarsenide einfachen Metallen jedoch viel ähnlicher zu sein als die Kuprate, deren Eigenschaften irgendwo im Grenzland zwischen metallischen Leitern und Isolatoren liegen. "Metalle sind in Theorien leichter zu beschreiben", sagt Hinkov: "Daher hoffen wir, dass sich das Verhalten der Eisenarsenide leichter in Modelle fassen lässt."
Messung des magnetischen Verhaltens
Der Physiker hat gemeinsam mit Dmytro S. Inosov und weiteren Kollegen aus seiner Gruppe in der Abteilung Keimer sowie der Kristallzuchtgruppe von Chengtian Lin des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung das magnetische Verhalten eines Eisenarsenids untersucht, das als weitere Elemente Barium und Cobalt enthält und auf die chemische Formel BaFe1,85Co0,15As2 hört. In diesem Material hat das Forscherteam an der Forschungsneutronenquelle FRM-II der TU-München und am Laboratoire Léon Brillouin im französischen Gif-sur-Yvette, in Zusammenarbeit mit Forschern dieser Einrichtungen, Spinwellen angeregt.
Der Spin eines Elektrons gibt ihm ein magnetisches Moment und macht es zu einem winzigen Stabmagneten. Das ist für die Ursachenforschung der Hochtemperatur-Supraleitung interessant. Die magnetischen Wechselwirkungen könnten nämlich jeweils zwei Elektronen zu Cooperpaaren zusammen binden. Die Elektronenpaare flitzen im Gegensatz zu einzelnen Elektronen ungehindert durch das Kristallgitter eines Metalls oder einer Keramik, weil sie andere Quanten-Eigenschaften besitzen und damit für die Atome des Kristalls unsichtbar werden.
In einem magnetischen Material orientieren sich die magnetischen Momente der Spins parallel oder antiparallel. Parallel heißt: alle Nordpole zeigen in dieselbe Richtung; Bei der antiparallelen Ausrichtung weisen die Nordpole benachbarter Stabmagneten in entgegengesetzte Richtungen - wie zum Beispiel in den Eisenarseniden. Allerdings stehen die Spins nicht völlig still, sondern trudeln ein wenig auf der Stelle wie Kreisel, die an Schwung verlieren. Von einer Spinwelle sprechen Physiker, wenn die Spins jeweils um einen fixen Abstand versetzt kreisen wie rotierende Teller auf Stäben, die ein Jongleur nacheinander anstößt. Lassen sich in einem Material Spinwellen anregen, beweist dies magnetische Wechselwirkungen.
Solche Spinwellen hat das internationale Team jetzt auch in einem supraleitenden Eisenarsenid angeregt und genau untersucht. Dazu beschossen die Physiker die Probe mit unterschiedlich schnellen, also energiereichen Neutronen und versetzen so verschiedene Spinwellen in Schwung. Das Neutron wird dabei langsamer und ändert seine Richtung, und genau diese Veränderungen können die Physiker messen: Sie erhalten das sogenannte Spinwellenspektrum des Materials. Es gibt wieder, bei welchen Energien Neutronen Spinwellen anregen.
Messwerte geben Theoretikern Futter
"Da es sie gibt und sie sogar relativ stark sind, können magnetische Wechselwirkungen also prinzipiell auch die Supraleitung vermitteln", sagt Vladimir Hinkov. Dass sie diese Vermittlerrolle tatsächlich übernehmen, ist damit zwar noch nicht bewiesen. "Aber die Theoretiker stehen schon in den Startlöchern, um mit unseren Daten ihre unterschiedlichen Modelle zu testen.", so Hinkov.
Immerhin bietet sein Team den Theoretikern noch weitere Hilfestellung: "Für die Theoretiker ist auch wichtig, dass wir ihnen ganz konkrete Zahlen über das Spinwellenspektrum liefern, und somit wie stark der Magnetismus tatsächlich ist." Das klingt einfach, ist es aber nicht: Bei den Kupraten hat es über zehn Jahre gedauert, bis solche konkreten Ergebnisse vorlagen, was deren Verständnis erheblich erschwert hat. Die Eisenarsenide liegen sowohl in punkto Komplexität als auch mit ihrer Sprungtemperatur zwischen konventionellen Supraleitern und den Kupraten. "Vielleicht wäre es deshalb für das generelle Verständnis der Supraleitung besser gewesen, wenn die Eisenarsenide vor den Kupraten entdeckt worden wären", sagt Vladimir Hinkov.
Die Messwerte zu den Eisenarseniden können die Theoretiker nun in die Formeln einsetzen, mit denen sie die unkonventionelle Supraleitung zu beschreiben versuchen und prüfen, ob sie so zu sinnvollen Ergebnissen kommen. Stellen die Formeln einen korrekten Zusammenhang zwischen den Materialeigenschaften und der Sprungtemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter her, ist das ein großer Schritt hin zum alltagstauglichen Stromtransport ohne Verluste. Dann können Physiker unter anderem schauen, an welchen Materialeigenschaften sie drehen müssen, um die Sprungtemperatur nach oben zu treiben.
Originalveröffentlichung: Dmytro S. Inosov et al.; "Normal-State Spin Dynamics and Temperature-Dependent Spin-Resonance Energy in Optimally Doped BaFe1.85Co0.15As2"; Nature Physics, advance online publication, 20. Dezember 2009
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