Auf der Spur der unkonventionellen Supraleitung
Form von Elektronen-Orbitalen ist maßgeblich beteiligt
Die Arbeitsgruppe von Dr. Andrea Severing am II. Physikalischen Institut der Universität zu Köln arbeitete dabei zusammen mit Wissenschaftlern vom Max-Planck Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden, dem Los Alamos National Laboratory in den USA und der Hiroshima University in Japan. Der Artikel „Correlation between ground state and orbital anisotropy in heavy fermion materials” ist nun in den “Proceedings of the National Academy of Sciences” erschienen.
Die Physiker fanden heraus, dass die Form der besetzten Elektronen-Orbitale, die sogenannte Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Cer-Elektronen, in einem engen Verhältnis zu dem jeweiligen Grundzustand steht: Flachere Orbitale korrelieren mit magnetischer Ordnung, während ausgedehntere Orbitale in Supraleitern zu finden sind. Diese ausgedehnteren Orbitale können stärker mit anderen Elektronen vermischen (hybridisieren) und tragen dadurch zur elektrischen Leitung bei. Die Atomabstände spielen hierbei nur eine unterordnete Rolle. Eine solche Korrelation hatte man theoretisch seit längerem vermutet, sie konnte aber erst jetzt experimentell dank polarisierter Röntgenabsorptionsmessungen am Europäischen Synchrotron (ESRF) in Grenoble, Frankreich nachgewiesen werden.
Die Wissenschaftler untersuchten dafür das Modellsystem einer Schwere-Fermionen Verbindung. Die sind leitende Materialien, in denen sich die Ladungsträger so bewegen als ob sie die 1000-fache Masse eines freien Elektrons hätten. Starke Wechselwirkungen der Elektronen untereinander sind dafür verantwortlich. Man findet das Schwere-Fermionen-Phänomen in vielen Festkörpern, die magnetische Selten-Erd-Atome wie Cer (Ce) oder Ytterbium (Yb) enthalten. Viele dieser Schwere-Fermionen Verbindungen zeigen unkonventionelle Supraleitung – so wie die Hochtemperatursupraleiter. Daher, versteht man diese Materialien, kann dies auch zu wichtigen Erkenntnissen für die Mechanismen in den Hochtemperatursupraleitern führen.
Die Schwere-Fermionen Verbindungen wie die im Versuch verwendeten weisen je nach Übergangselement supraleitende oder magnetisch geordnete Grundzustände auf, oder werden sogar zu Hochtemperatursupraleitern wenn Cer durch Plutonium ersetzt wird. Diese Verbindungen gelten daher als viel versprechende Modelsysteme bei der Suche nach Parametern, die mit der Ausbildung eines magnetischen oder supraleitenden Grundzustands korrelieren.
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