Elektronen spielen in verschiedenen Ligen

Wenn Elektronen in verschiedenen Ligen spielen, dann kann die Art, wie sie wechselwirken, sehr unterschiedlich sein. Über einen solchen „Klassenunterschied" zwischen den Elektronen in einem eisenbasierten Hochtemperatursupraleiter berichtet ein Team von Forschern des Zentrums für Elektronische Korrelationen und Magnetismus (EKM) der Universität Augsburg und der Moldawischen Akademie der Wissenschaften. Er ist dafür verantwortlich, dass Vorboten der Supraleitfähigkeit in diesem Material bereits weit oberhalb der kritischen Sprungtemperatur auftreten. Die Breite der Anwendungsmöglichkeiten dieser Materialien könnte von einer Steigerung ihrer Sprungtemperatur durch Ausnutzung dieses Klassenunterschieds profitieren.

Seit ihrer Entdeckung im Jahr 2008 zeigt sich die Familie der eisenbasierten Supraleiter immer wieder gut für Überraschungen. So können in diesen Materialien die Elektronen sowohl sogenannte Cooper-Paare – als Voraussetzung für Supraleitfähigkeit – bilden als auch zum Magnetismus beitragen. Dies ist zwar auch bei der bereits länger bekannten Klasse der Kupferoxid-Hochtemperatursupraleiter der Fall, aber in den eisenbasierten Materialien unterscheiden sich die Elektronen untereinander in ihrem orbitalen Charakter. Und je nach der Ausprägung ihres orbitalen Charakters sind die einen Elektronen bereits bei Raumtemperatur metallisch, während die anderen hier noch isolierendes Verhalten zeigen, um erst bei tiefen Temperaturen ebenfalls metallischen Charakter anzunehmen. Dieser außergewöhnliche, weil orbitalabhängige Metall-Isolator-Übergang, der sich im Experiment zeigte, macht die wichtige Rolle der orbitalen Eigenschaften der Elektronen für das theoretische Verständnis der eisenbasierten Supraleiter deutlich.

„Wir konnten nun beobachten, dass es die Symmetrieeigenschaften ihrer Orbitale sind, die bestimmen, bei welchen Temperaturen welche Elektronen jene sogenannten Cooper-Paare bilden, die nötig sind, um den supraleitenden Zustand zu erreichen", so Joachim Deisenhofer vom Augsburger Institut für Physik. Zu dieser Beobachtung verhalf optische Spektroskopie im Terahertz-Frequenzbereich. Denn die Energie, die erforderlich ist, um die Bindung der für die Supraleitfähigkeit verantwortlichen Cooper-Paarungen aufzubrechen, zeigt sich im optischen Spektrum in Form einer Anregungs- oder Energielücke, die unterhalb der kritischen Sprungtemperatur sichtbar wird. In dem von ihnen untersuchten eisenbasierten Supraleiter Rb_1-xFe_2-ySe₂ konnten die Augsburger Physiker und ihre Kollegen von der Moldawischen Akademie der Wissenschaften nun aber das Auftreten einer zweiten solchen Energielücke bereits weit oberhalb der Sprungtemperatur beobachten und die bereits bei dieser hohen Temperatur eintretenden Cooper-Paarungen jener Rb_1-xFe_2-ySe₂-Elektronen-„Liga" zuordnen, deren orbitaler Charakter auch den außergewöhnlichen Metall-Isolator-Übergang dieser Materialfamilie bewirkt.

„Sollte es gelingen, die in eisenbasierten Supraleitern in dieser ‚Liga' spielenden Elektronen die Leitfähigkeit des Materials dominieren zu lassen", resümiert Deisenhofer, „könnte dies eine weitere Erhöhung der Sprungtemperaturen der eisenbasierten Supraleiter und eine Erweiterung ihrer Anwendungsmöglichkeiten ermöglichen".

U. Augsburg / PH