Supraleiter-Theorie ohne Phononen

Cambridge (Großbritannien) – Typ-1 Supraleiter werden heute mit der BCS-Theorie erklärt – benannt nach den Entdeckern John Bardeen, Leon N. Cooper und John R. Schrieffer. Schwingungen im Kristallgitter, die Phononen, spielen dabei eine Schlüsselrolle für den Energietransfer zwischen Elektronen, damit sich aus zwei Elektronen ein so genanntes Cooper-Paar bilden kann. Im Falle der Hochtemperatursupraleiter ist jedoch schon seit längerem weitgehend erwiesen, dass die anziehende Wirkung aufgrund der Phononen viel zu schwach ist, um die extrem hohe Sprungtemperatur dieser Supraleiter zu erklären. Daher wurden in den letzten Jahren eine Reihe alternativer Modelle zur Erklärung der Hochtemperatur-Supraleitung entwickelt. In der Zeitschrift „Nature“ berichten nun britische Physiker in einem Überblicksartikel, wie die Anziehung zwischen den Elektronen auch ohne Phononen auskommen könnte.

„Eine solche Anziehung ohne Phononen kann zu einer Elektronenpaarung und zu unkonventionellen Formen der Supraleitung führen“, schreiben Gilbert Lonzarich von der Cambridge University und seine Kollegen von der University of Edinburgh und der University of California in Davis. Für konventionelle Supraleiter wie Aluminium, Blei oder Quecksilber reicht eine Wechselwirkung über Phononen zur Erklärung aus, doch mit Hochtemperatur-Supraleitern wie beispielsweise Kupferoxide mit Sprungtemperaturen bis zu 160 Kelvin ändert sich dies. Ohne die Gitterschwingungen bietet sich an, die anziehende Wechselwirkung zwischen den Elektronenpaaren mit Spin-Spin-Mechanismen zu erklären.

Besonders in Systemen mit magnetischen Instabilitäten – also nahe am Ferro- oder Antiferromagnetismus – wird die Spin-Spin-Wechselwirkung wichtig. So können zwei Quasipartikel wie die Cooperpaare mit dem gleichen Spin das notwendige anziehende Potential aufbauen, um einen supraleitenden Zustand zu erreichen. Bei diesen theoretischen Betrachtungen nimmt die Kopplung der Quasipartikel über Phononen nur noch den Charakter eines Spezialfalls ein.

Erst mit aufwändigen Computersimulationen offenbarte sich der Einfluss von Magnetisierbarkeiten und Teilchendichten für die beobachtete Supraleitung bei Materialien wie Strontiumrutheniumoxid oder Cerrutheniumindium. Einen Grund für die stabile Wechselwirkung von Cooperpaaren in tetragonal aufgebauten Kristallstrukturen sehen die Physiker darin, dass sich über die Diagonalen die abstoßenden Kräfte von den abziehenden neutralisiert werden. Dennoch bleiben Regionen mit sich anziehenden Paaren übrig.

Durch den Verzicht auf Phononen bei der Erklärung der Supraleitung eröffnen sich nach Aussage der Forscher zahlreiche weitere Möglichkeiten für die wirksamen Mechanismen. Für diese unkonventionellen Formen der Supraleitung müssen jedoch präzise die Kristallstrukturen und die magnetischen und elektronischen Eigenschaften der verschiedenen Materialien betrachtet werden. Diese Vielfalt des Verhaltens selbst auf einfachstem Niveau könne zu weiteren Verbesserungen der Materialeigenschaften führen, so die Autoren. „Ohne Zweifel halten diese Systeme noch viel mehr Überraschungen bereit.“

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  P. Monthoux et al., Superconductivity without phonons, Nature 450, 1177 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature06480
• Cavendish Laboratory, University of Cambridge:
  http://www.phy.cam.ac.uk
• Institute for Complex Adaptive Matter and Physics Department, University of California, Davis:
  http://www.i2cam.org
• Centre for Science at Extreme Conditions, University of Edinburgh:
  http://www.csec.ed.ac.uk