Magnetismus nimmt Elektronen den Widerstand

Magnetische Wechselwirkungen bewirken Bildung von Cooper-Paaren und ermöglichen unkonventionelle Supraleitung.

Manchmal gleicht Physik einem Kriminalfall. Indiz für Indiz tragen Forscher zusammen, um ein Rätsel zu lösen. Zum Beispiel die Frage, wie die unkonventionelle Supraleitung entsteht, die auch für technische Anwendungen besonders interessant ist. Als unkonventionell wird Supraleitung bezeichnet, die sich nicht mit der Theorie von Bardeen, Cooper und Schrieffer (BCS-Theorie) erklären lässt. Diese erklärt basierend auf der Wechselwirkung der Elektronen mit Gitterschwingungen (Phononen) die Bildung von Cooper-Paaren. Zu den Materialien, die unkonventionelle Supraleitung aufweisen, zählen einige keramischen Stoffe, die Strom bereits bei vergleichsweise hohen Temperaturen ohne Verluste leiten. Allerdings liegen diese Temperaturen immer noch bei unter minus 135 Grad Celsius – zu kalt für eine breite Anwendung im Alltag. Um diese Grenze systematisch weiter nach oben zu schieben, gilt es zu verstehen, wie die Supraleitung in diesen Materialien entsteht. Ein internationales Team um Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe liefert nun den bislang stärksten Beleg, dass magnetische Wechselwirkungen die unkonventionelle Supraleitung bewirken können. Die magnetischen Wechselwirkungen stellen in dem untersuchten Material genügend Energie bereit, um es in den supraleitenden Zustand zu versetzen.

Gemeinsam mit Kollegen des Jülich Centre for Neutron Science am Institut Laue-Langevin in Grenoble, der Technischen Universität Dresden, der Rice University in Houston, Texas sowie des Dresdner Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme haben Wissenschaftler um Frank Steglich, dem Leiter der Untersuchung, CeCu₂Si₂ – eine chemische Verbindung aus Cerium, Kupfer und Silizium – untersucht. Diese Verbindung wurde vor über drei Jahrzehnten als erster unkonventioneller Supraleiter identifiziert und hat damit die Suche nach neuen Mechanismen der Supraleitung in Gang gesetzt. Mittlerweile verstehen die Forscher, wie sie den elektronischen Zustand des Materials verändern können: Ein kleines Kupfer-Defizit macht den Stoff antiferromagnetisch, mit einem winzigen Überschuss wird es zum Supraleiter. Dabei müssen die Forscher immer nahe am absoluten Nullpunkt der Temperatur operieren.

Für die Untersuchungen eignete sich CeCu₂Si₂ auch deshalb besonders gut, weil darin die 4f-Elektronen der Ceriumatome sowohl bei der Supraleitung als auch beim Magnetismus mitmischen. In der magnetischen Variante des Stoffes bewirken die Spins der 4f-Elektronen, die diese zu winzigen Stabmagneten machen, die antiferromagnetische Ordnung des Materials: In einem einfachen Bild lässt sich das so vorstellen, dass die kleinen Magnete abwechselnd mit Nord- und Südpolen nebeneinander liegen. In der supraleitenden Version des CeCu₂Si₂ fließen die 4f-Elektronen in das Reservoir, aus dem sich Cooper-Paare bilden – Elektronenpärchen, die aufgrund ihrer Quanteneigenschaften unsichtbar für das Kristallgitter sind und daher ungehindert durch es hindurch sausen. Gleichzeitig verschwindet die antiferromagnetische Ordnung, und die einzelnen magnetischen Momente der 4f-Elektronen lassen sich nach außen nicht mehr wahrnehmen.

Zur genaueren Untersuchung der magnetischen Momente in der supraleitenden Variante haben die Forscher eine Probe des supraleitenden Materials mit Neutronen beschossen, die ebenfalls einen Spin und damit ein magnetisches Moment besitzen. Auf diese Weise regten sie die magnetischen Momente im CeCu₂Si₂ an. Das funktionierte aber nur, wenn die Energie der Neutronen eine bestimmte Schwelle überschritt. Genau dieses Mindestmaß an Energie ist nötig, um die supraleitenden Elektronen-Paare aufzubrechen. "Die magnetischen Wechselwirkungen in dem supraleitenden Material setzen zehn Mal mehr Energie frei als die Bildung der Cooper-Paare", sagt Oliver Stockert vom Dresdener Max-Planck-Institut. "Offenbar ermöglichen die magnetischen Wechselwirkungen also die unkonventionelle Supraleitung."

Anhand der Neutronenstreuung konnten die Forscher nicht nur ermitteln, wie sich die Stärke der magnetischen Anregungen mit ihrer Energie ändert, sondern auch, wie sie von der Richtung abhängt, in der sie sich im Kristall ausbreiten. Daraus haben die Theoretiker des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme und der Rice University die Energieersparnis für den magnetischen Austausch berechnet.

Und noch einen Hinweis auf die magnetische Vermittlerrolle bei der unkonventionellen Supraleitung hat das Team gefunden: Sie wiederholten ihre Versuche bei unterschiedlichen Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts. Je mehr sie sich diesem Punkt annäherten, desto deutlicher kündigte sich darin die antiferromagnetische Ordnung an – Physiker sprechen davon, dass die Spinfluktuationen in der Nähe der magnetischen Ordnung langlebiger werden. Diese Fluktuationen beruhen auf einem Quanteneffekt, weshalb der Punkt, in dessen Nähe sie auftreten, quantenkritischer Punkt heißt. "Die Tatsache, dass wir Supraleitung um diesen Punkt herum beobachten, spricht ebenfalls dafür, dass magnetische Wechselwirkungen die Bildung der Cooper-Paare bewirken", sagt Oliver Stockert.

 
Abb.: (a) Schematisches Phasendiagramm in der Umgebung des quantenkritischen Punktes (QCP): Die antiferromagnetische (AF) Phase verschwindet als Funktion der effektiven Kopplungskonstante g. Die Supraleitung (SC) lässt sich in der Umgebung des quantenkritischen Punktes beobachten und reicht weit in den paramagnetischen (PM) Bereich. (b) Tetragonale Kristallstruktur von CeCu₂Si₂. (Bild: O. Stockert, Nature Physics)

Offen bleibt, warum der magnetische Austausch in dem Supraleiter einen so großen Energiegewinn bringt. Außerdem ist noch zu klären, inwieweit sich ihre Erkenntnisse auf die Materialien übertragen lassen, die bei relativ hohen Temperaturen supraleitend werden.

Max Planck Gesellschaft/MH