Neue Methode zur Analyse von Supraleitern

26.10.2017 - Deutschland

Eine neue Methode, mit der sich unkonventionelle Supraleiter untersuchen lassen, beschreiben Wissenschaftler aus Deutschland, China und den USA in der Fachzeitschrift „Nature Physics“. „Eine Antwort auf die Frage zu finden, wie diese Materialien ihre supraleitenden Eigenschaften erhalten, ist eine der größten Herausforderungen in der modernen Festkörperphysik“, sagt Prof. Dr. Ilya Eremin, einer der Autoren von der Ruhr-Universität Bochum. Um das Rätsel zu lösen, benötigen Forscher möglichst viele experimentelle Daten, aus denen sie auf den zugrunde liegenden Mechanismus der Supraleitung schließen können.

„Es ist wichtig, die Daten mit unterschiedlichen Methoden zu generieren, um Fehler zu vermeiden und ein möglichst genaues Bild zu erhalten“, so Eremin. In der aktuellen Arbeit schlagen die Forscher daher ein neues Verfahren mittels Raster-Tunnel-Elektronenmikroskopie vor. Das theoretische Konzept dafür entwickelten die Bochumer Physiker in Kooperation mit Forschern der University of Florida und des Naval Research Lab in Washington DC. Die Partner der Nanking-Universität in China bestätigten im Experiment, dass die Methode funktioniert.

Strom verlustfrei leiten

Im Gegensatz zu herkömmlichen Leitern wie Kupfer können Materialien im supraleitenden Zustand Strom verlustfrei transportieren. Allerdings nur bei sehr tiefen Temperaturen, was sie derzeit für einen größeren Einsatz in der Praxis untauglich macht. Neuere, sogenannte unkonventionelle Supraleiter funktionieren bei höheren Temperaturen als die ursprünglich entdeckten Materialien. Allerdings ist unklar, welcher Mechanismus in ihnen die supraleitenden Eigenschaften bewirkt.

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„Forscher hoffen, die Arbeitstemperatur der unkonventionellen Supraleiter weiter anheben zu können“, sagt der Bochumer Doktorand Dustin Altenfeld vom Lehrstuhl für Theoretische Festkörperphysik. „Allerdings müssen wir dafür zunächst die Mechanismen ergründen, die der Supraleitung in diesen Materialien zugrunde liegen.“

Elektronenpaare fließen leichter

Für konventionelle Supraleiter ist der Mechanismus relativ gut verstanden: Elektronen, die sich normalerweise aufgrund ihrer negativen Ladungen gegenseitig abstoßen, bilden Paare, indem sie das umliegende Atomgitter verzerren. Solch ein Elektronenpaar kann leichter durch das Material fließen als einzelne Elektronen.

Auch in unkonventionellen Supraleitern treten Elektronenpaare auf; welcher Mechanismus sie zusammenbindet, ist jedoch unbekannt. Eine Theorie besagt, dass Magnetismus die Grundlage sein könnte.

Symmetrie der Wellenfunktion entscheidend

Wissenschaftler messen die Elektronenpaarzustände in Supraleitern mit vielen verschiedenen Methoden. Basierend auf diesen Daten können sie auf die Wechselwirkungen schließen, die die beiden Elektronen aneinanderbinden. Entscheidend dabei ist die Symmetrie des Elektronenpaares, also die Form der Wellenfunktion, die den supraleitenden Zustand mathematisch beschreibt.

Die Symmetrie kann unterschiedliche Formen annehmen, abhängig davon wie sich die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des einen Elektrons um das andere Elektron im Paar verteilt. Messen die Forscher eine bestimmte Symmetrieform, schließt das gewisse Mechanismen als Grundlage der Supraleitung aus und macht andere Mechanismen wahrscheinlicher.

Hinweise auf Magnetismus als Mechanismus

Mit der Raster-Tunnel-Elektronenmikroskopie bestimmte das internationale Team die Symmetrie in einem Eisen-basierten unkonventionellen Supraleiter. „Die Ergebnisse bestätigen, dass die von uns konzipierte Methode für die Messung der Symmetrie geeignet ist“, folgert Dustin Altenfeld. Die experimentellen Daten enthielten auch Hinweise darauf, dass die bindende Kraft im Elektronenpaar tatsächlich auf Magnetismus zurückzuführen sein könnte.