Koexistenz von Supraleitung und Ladungsdichtewellen

In den 1980er Jahren gelang es, keramikbasierte Verbindungen zu synthe­ti­sieren, die Strom ohne jeglichen Verlust bei Tempe­ra­turen bis zu 138 Kelvin leiten. Die bekann­testen Hoch­tempe­ratur-Supra­leiter sind Kuprate, welche die höchsten Sprung­tempe­ra­­turen besitzen und daher hohes Potenzial für zukünf­tige Anwen­dungen bieten. Daneben existiert eine große Viel­falt anderer Verbin­dungen, die eben­falls Supra­leitung bei relativ hohen Tempe­ra­turen zeigen, unter ihnen die kürz­lich ent­deckten Eisen­pniktide.

Noch fehlt eine allgemeine Theorie, mit der sich die Physik der Hoch­tempe­ratur-Supra­leitung beschreiben lässt. Aller­dings ist fast allen Hoch­tempe­ratur-Supra­leitern gemein­sam, dass sie die wider­stands­lose Supra­leitung in der Nähe von anderen exo­tischen Materie­zu­ständen, wie den Ladungs­dichte­wellen, ent­wickeln. Diese Materi­alien können von einer Phase in die andere gelenkt werden und mög­licher­weise kann Supra­leitung durch chemische Dotierung, externen Druck oder Magnet­felder erreicht werden. Noch exis­tiert jedoch kein genaues Ver­ständ­nis der subtilen Wechsel­bezie­hung dieser Phasen und in einigen Fällen gibt es Beweise, dass die Ladungs­dichte­wellen und Supra­leitung sogar mikro­skopisch koexis­tieren können.

Vor diesem Hintergrund haben Experimente, in denen die Materialien mit ultra­kurzen, inten­siven Laser­pulsen stimu­liert wurden, neue Erkennt­nisse über diese Systeme gelie­fert. So konnte Andrea Caval­leri und sein Team am MPI für Struktur und Dynamik der Materie in Hamburg bereits zeigen, dass mit­hilfe solcher Pulse die Ladungs­dichte­wellen in einigen Kuprat­ver­bin­dungen zer­stört und dadurch Supra­leitung bei höheren Tempe­ra­turen – mög­licher­weise bis zu Raum­tempe­ratur - erreicht werden kann.

Jetzt untersuchten Cavalleri und seine Kollegen verschiedene Verbin­dungen aus der wenig erforschten Familie der Bismutate. Diese Supra­leiter wurden in den 1970er Jahren ent­deckt, noch vor den Kupraten, aber auf­grund ihrer weit niedri­geren Sprung­tempe­ra­turen von etwa dreißig Kelvin wurde ihnen weniger Auf­merk­sam­keit geschenkt. Sie besitzen viele Gemein­sam­keiten mit, aber auch viele Unter­schiede zu den bekann­teren Systemen. Insbe­sondere die Basis­ver­bin­dung BaBiO(3) besitzt eine robuste Ladungs­dichte­welle, aus der Supra­leitung durch chemische Dotierung ent­steht.

Die jetzt untersuchten Probenkristalle mit unterschied­licher zuge­setzter Blei-Konzen­tra­tion wurden an der Stanford Univer­sity in den USA herge­stellt. Die Forscher in Hamburg führten Experi­mente an diesen Kristallen durch, in denen sie die Kristalle mit sehr kurzen und inten­siven Laser­pulsen anregten. Sie maßen, wie sich ihre Leitungs­fähig­keit über­gangs­weise ver­än­derte und inner­halb weniger Piko­sekunden zu den Aus­gangs­werten zurück­kehrte. Durch die Analyse der Abhän­gig­keit dieses Signals nach Frequenz, Tempe­ratur und Blei­konzen­tra­tion konnten sie es ein­deutig mit einer durch das Laser­feld verur­sachte Ver­ände­rung der Ladungs­dichte­wellen ver­binden.

„Bemerkenswerterweise konnten wir diese Reaktion nicht nur in der Basis­ver­bin­dung BaBiO(3) messen, wo die Existenz einer Ladungs­dichte­welle bekannt ist, sondern auch in der blei­dotierten, supra­lei­tenden Ver­bin­dung“, erläutert Team-Mitglied Daniele Nico­letti. „Dieses Ergeb­nis ist ein indi­rekter Beweis der Koexis­tenz von Ladungs­dichte­wellen und Supra­leitung in dem­selben Material, ein Zustand der in dieser Material­familie bisher disku­tiert aber nie nach­ge­wiesen worden ist.“

Die Wissenschaftler konnten außerdem die Energieskalen, die mit der Verän­derung der Ladungs­dichte­wellen ver­bunden waren, genau bestimmen und so neue Infor­ma­tionen über das dyna­mische Wechsel­spiel mit der Supra­leitung in den Bismutaten liefern. Diese Ergeb­nisse sind besonders wichtig, da kürz­lich Ladungs­dichte­wellen in mehreren Kuprat­supra­leitern gefunden wurden, was auf eine über­raschende Gemein­sam­keit zwischen einigen Aspekten dieser Materi­alien hin­weist. Ein Ziel dieser Forschungen ist es, eine Art von Rezept für die Ent­wick­lung neuer Materi­alien zu ent­werfen, um neue Funktio­nali­täten bei zuneh­mend höheren Tempe­ra­turen zu ent­wickeln.

MPSD / RK