Gestreifte Oberfläche, homogener Kern
Auch Hochtemperatursupraleiter weisen wider Erwarten an der Oberfläche Streifenordnungen auf.
Als Supraleitung bezeichnet man das komplette Verschwinden des elektrischen Widerstands in einem Stoff. Supraleiter lassen sich unter anderem in den starken Magnetfeldern von Teilchenbeschleunigern verwenden und leisten dort einen entscheidenden Beitrag zur technischen Entwicklung. Sie funktionieren jedoch nur bei extrem niedrigen Temperaturen. Besonders interessant sind daher Hochtemperatursupraleiter, weil sie nicht so stark gekühlt werden müssen und so technisch besser verwendbar sind. Seit ihrer Entdeckung vor über 25 Jahren suchen Festkörperphysiker nach einer Erklärung für das Phänomen der Hochtemperatursupraleitung (HTSL).
Abb.: (a) Kristallstruktur der geschichteten Perovskit-Cuprate und -Nickelate. (b) Modell der Streifenordnung in den hier rot dargestellten CuO-Ebenen, (nur die Cu-Plätze sind gezeigt; die Bereiche mit hoher Ladungsträgerdichte sind hellblau, die mit geringer Ladungsträgerdichte dunkelblau; die Pfeile zeigen die Spinausrichtung). (c) Reziproker Raum mit Bragg-Peaks der CuO-Struktur (Punkte) und Überstruktur-Reflexen von Spinordnung (Dreiecke) und Ladungsordnung (Sterne), die mit der Streifenphase zusammenhängen. (Bild: Nat. Comm.)
Einer These zufolge hängt die HTSL eng mit so genannten Streifenordnungen zusammen. Dass dieser Zusammenhang stärker ist als bisher vermutet, konnte jetzt ein Forscherteam um Markus Braden vom physikalischen Institut II der Universität zu Köln und Christian Schüßler-Langeheine vom Helmholtz-Zentrum Berlin belegen. Die Ergebnisse bedeuten einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Lösung des Rätsels.
Der Widerstand in elektrischen Leitern bedeutet stets einen Energieverlust. Es war daher immer ein Ziel der Technik, diesen Widerstand möglichst gering zu halten oder am besten ganz verschwinden zu lassen, also eine Supraleitung zu erreichen. Supraleitung ist möglich, allerdings müssen dazu die potentiellen – zunächst metallischen – Supraleiter extrem gekühlt werden, auf Temperaturen, die nahe an der Grenze des Möglichen liegen. Vor rund 25 Jahren fanden Wissenschaftler verschiedene Kupferoxide, also keramische Stoffe, bei denen eine Supraleitung auch bei wesentlich höheren Temperaturen entsteht. Diese Temperaturen liegen immer noch weit entfernt vom Alltäglichen, sind aber mit bedeutend weniger technischem Aufwand erreichbar. Warum jedoch diese Kupferoxide supraleitend sind, bleibt seit ihrer Entdeckung für Forscher ein Rätsel.
Einen Zusammenhang vermutete man mit so genannten Streifenordnungen, in denen sich ansonsten frei bewegliche Ladungen zu festen Streifen anordnen. Man vermutete, dass Streifenordnungen die HTSL verhindern, denn gerade gut supraleitende Verbindungen zeigten keine Streifenordnungen. Durch die Kombination verschiedener moderner Röntgentechniken gelang es den Physikern aus Köln und Berlin jedoch jetzt, Streifenordnungen in der Oberfläche einer supraleitenden Verbindung nachzuweisen. In ihrem Volumen fand man dagegen keine Streifenordnungen. Grund dafür ist, dass die Kristallstruktur eines Supraleiters an ihrer Oberfläche ein wenig uneben ist. Diese minimalen Störungen reichen offenbar aus, um auch in Supraleitern Streifenordnungen hervorzurufen.
Der Zusammenhang zwischen Hochtemperatursupraleitung und Streifenordnungen, der unter Festkörperphysikern ohnehin heftig und kontrovers diskutiert wird, muss nach diesen Erkenntnissen nun neu überdacht werden.
U. Köln / VK
