24.05.2011

Magnete und Supraleiter in dynamischer Eintracht

Ergebnisse von Berliner Physikern könnten zu neuen Spintronik-Schaltkreisen und effizienteren Supraleitern führen.

Ergebnisse von Berliner Physikern könnten zu neuen Spintronik-Schaltkreisen und effizienteren Supraleitern führen.

Magnetfelder wirken der widerstandslosen Supraleitung entgegen und lassen diese zusammenbrechen. Doch auf atomarer Ebene können beide Zustände – Magnetismus und Supraleitung – zugleich in unmittelbarer Nachbarschaft auftreten. Physiker von der Freien Universität (FU) Berlin beobachteten diese seltene Koexistenz in einer supraleitenden Bleischicht, auf die sie Moleküle einer magnetischen Manganverbindung setzten. Ihre Ergebnisse haben das Potenzial, zu neuen Konzepten für spintronischen Schaltkreisen und effizienteren Supraleitern zu führen.

Abb.: Die magnetische Moleküle ordnen sich auf dem supraleitenden Blei in einer periodischen Struktur an, die unter dem Rastertunnelmikroskops sichtbar wird. (Bild: Science/AAAS/FU Berlin)

"Auf der atomaren Skale können beide Typen der Wechselwirkung koexistieren", schreiben Katharina Franke und ihre Kollegen vom Institut für Experimentalphysik an der FU Berlin. Für diese Entdeckung kühlten sie einen Blei-Supraleiter auf bis zu minus 268 Grad Celsius ab. Elektronen paaren sich dabei zu Cooper-Paaren, die wesentlich für die widerstandslose Stromleitung verantwortlich sind. Auf die Bleioberfläche deponierten sie darauf einzelne Moleküle aus Mangan-Phthalocyanin. Diese magnetischen Partikel beeinflussten lokal die Supraleitung, ließen sie aber nicht komplett zusammenbrechen.

Mit einem Rastertunnelmikroskop untersuchten Franke und Kollegen sowohl die räumliche als auch die elektronische Struktur des beschichteten Supraleiters. Dabei erkannten sie, dass durch magnetische Kopplungen einige Cooper-Elektronen-Paare wieder getrennt wurden und lokal der Supraleitung über das wirkende Magnetfeld entgegenwirkten. In direkter Nachbarschaft jedoch verharrte das Blei in seinem supraleitenden Zustand. Unter dem Mikroskop erkannten die Forscher deutlich eine periodisches Rastermuster, in dem sich magnetische Inseln mit supraleitenden Bereichen abwechselten. "Das Ergebnis ist eine molekulare Superstruktur, in der Supraleitung und Magnetismus auf der nanoskopischen Skala alternieren", berichten sie.

Direkte Anwendungen haben diese Grundlagenversuche noch nicht. Doch zeigen sie, dass sich – anders als bisher angenommen – Magnetismus und Supraleitung nicht immer zwingend ausschließen müssen. Über die gezielte Deposition von magnetischen Partikeln könnten nun die verschiedenen Quantenphasen exakter kontrolliert werden. Dies könnte zu neuen Schaltprozessen für zukünftige Spintronik-Moldule führen. Es ist auch nicht ausgeschlossen, dass die nun beobachtete Koexistenz von Magnetismus und Supraleitung die weitere Entwicklung von effizienteren Supraleitern vorantreiben könnte.

Jan Oliver Löfken


Weitere Infos

Weiterführende Literatur:

  • H. Shiba: Prog. Theor. Phys. 40, 435 (1968)
  • M. I. Salkola, A. V. Balatsky, J. R. Schrieffer: Phys. Rev. B 55, 12648 (1997)
  • L. Gao et al.: Phys. Rev. Lett. 99, 106402 (2007)

AL

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