11.04.2011

Ein Strom wie ein Donut

Elektronentorus im Festkörper kann helfen, Hochtemperatur-Supraleitung zu verstehen.

Elektronentorus im Festkörper kann helfen, Hochtemperatur-Supraleitung zu verstehen.

Forschende des Paul Scherrer Instituts haben eine besondere Art von Elektronenfluss beobachtet, bei dem die Elektronenwolke die Form eines Torus hat. Die Elektronen fliessen entlang der Meridiane dieses Torus (siehe Abbildung). Von den sonst beobachteten Elektronenorbitalen unterscheidet sich dieser toroidale Strom durch die grundsätzlich andere Symmetrie, die magnetische und elektrische Eigenschaften vereint. Die Ergebnisse könnten helfen, das Verhalten von Hochtemperatur-Supraleitern zu verstehen.

Abb.: Die Elektronenwolke hat die Form eines Torus. Der Elektronenstrom folgt der Richtung, die durch die Pfeile angezeigt ist. (Bild: PSI)

Im Experiment untersuchten die Forscher Kupferoxid (CuO) – ein Material, das die Grundlage zahlreicher Hochtemperatursupraleiter bildet und mit ihnen die fundamentale Struktur gemeinsam hat. Mit Hilfe von polarisiertem Synchrotronlicht führten sie Streuversuche an dem Material durch. Daraus, wie sich die Polarisation des Strahls während der Streuung änderte, konnten sie auf die Eigenschaften des entdeckten Objekts schließen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Elektronenfluss auf der Oberfläche eines Torus stattfindet – entlang der Meridiane. Die Besonderheit eines solchen Objekts sind die Symmetrieeigenschaften, die sich deutlich von anderen Formen des Elektronenflusses in Festkörpern unterscheiden.

Diese Symmetrieeigenschaften, die mit den toroidalen Strömen einhergehen, sind für so genannte Pseudogap-Phasen von Bedeutung. Diese ungewöhnlichen Materiezustände kommen in manchen Hochtemperatursupraleitern oberhalb der kritischen Temperatur vor. Zahlreiche Theorien, die die Pseudogap-Phase erklären sollen, sind entwickelt worden, da viele Forschende von einem Verständnis der Pseudogap-Phase auch Hinweise auf die Entstehung des verwandten supraleitenden Zustands erwarten. Da nun die grundsätzliche Existenz toroidaler Ströme in Festkörpern nachgewiesen ist, erwarten die Wissenschaftler, diese auch in anderen Materialien zu finden und einem möglichen Zusammenhang zwischen diesen und dem supraleitenden Zustand näher zu kommen.

PSI / MH


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