Ferromagnetismus und Supraleitung in Grenzschicht vereint
In einer 2-D-Grenzschicht von SrTiO3 und LaAlO3 sorgen zwei Sorten Ladungsträger für das gemeinsame Auftreten der beiden physikalisch gegensätzlichen Phänomene.
Gewöhnlich schließen sich Ferromagnetismus und Supraleitung aus. Für den Ferromagnetismus sind parallel ausgerichtete Elementarmagneten verantwortlich, während Supraleitung durch Cooper-Paare aus Elektronen entsteht, deren Spins antiparallel orientiert sind. Es gibt nur wenige Stoffe, aufgebaut aus Seltenen Erden, die beide Eigenschaften zeigen – allerdings nie gleichzeitig.
Abb.: Schematischer Querschnitt der Probe. (Bild: D. Dimkin, Northwestern U.)
Forscher von der Northwestern University in Evanston, Illinois, und der University of Wisconsin-Madison haben jetzt ein Material-System vorgestellt, das Supraleitung und Ferromagnetismus vereint. In einer zweidimensionalen Grenzschicht von SrTiO3 (STO) und LaAlO3 (LAO) charakterisierten sie zunächst die Supraleitfähigkeit. Es ergab sich ein Maximum für die kritische Temperatur und den kritischen Strom bei einer Gate-Spannung von 80 Volt. Die Forscher hielten die Gate-Spannung deshalb bei 80 Volt und untersuchten die ferromagnetischen Eigenschaften der Probe. Dazu legten sie ein senkrechtes Magnetfeld an. Nach der Ginzburg-Landau-Theorie für Supraleitung erwarteten sie für ihr zweidimensionales supraleitendes System eine lineare Beziehung zwischen kritischer Temperatur und Magnetfeld. Die Forscher sahen stattdessen einen Hysterese-Effekt bei ihrer Probe, der auf Ferromagnetismus der Grenzfläche hindeutet. Desweiteren stellten die Physiker Messungen des Magneto-Widerstandes an, mit denen sie untersuchten wie ein äußeres Magnetfeld den elektrischen Widerstand der Probe beeinflusste. Ihren Ergebnissen zufolge sind in dem System zwei verschiedene unabhängige Elektronengase für die elektrische Leitfähigkeit verantwortlich. Messungen des Hall-Widerstandes der Probe unterstützen diese Vermutung.
Abb.: Die gestrichelten Linien auf der Probe markieren die Geometrie des Hall-Steifens. Die Goldkontakte erscheinen weiß. (D. Dikin, Northwestern U.)
Die Eigenschaften der STO-LAO-Grenzschicht hängen stark von der Menge an Sauerstoff ab, die während des Probenwachstums zugegen ist. Ein niedriger Sauerstoff-Partialdruck sorgte bei früheren Experimenten für eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit, ein mittlerer Partialdruck erzeugte Supraleitfähigkeit, während ein hoher Sauerstoff-Anteil Ferromagnetismus begünstigte. In dem gegenwärtigen Experiment hatten die Forscher die Wachstumsbedingungen offenbar so gewählt, dass Supraleitung und Ferromagnetismus gemeinsam auftraten. Die Wissenschaftler suchen nun nach einer physikalischen Begründung.
Philipp Hummel
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