Supraleitung mit Streifen

Das Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung ist seit ihrer Entdeckung in Kupferoxid­verbindungen im Jahr 1986 eine ungelöste Heraus­forderung. Um sie zu bewältigen, müssen die physikalischen Phasen in der Nähe der Supra­leitung erforscht werden – typischerweise bei Temperaturen oberhalb der Sprung­temperatur oder bei geringeren Dotierungen, als zur Entwicklung dieses Zustands erforderlich sind. Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik in Hamburg erstmals einen verdeckten supraleitenden Zustand oberhalb der supraleitenden Übergangs­temperatur T_c nachgewiesen.

Solch ein Zustand bleibt für die meisten experimentellen Proben unsichtbar und ist daher schwer zu beobachten. Rajasekaran und seine Mitarbeiter nutzten neuartige Terahertz-Techniken, um einen streifen­förmigen Supra­leitungs­zustand oberhalb der supraleitenden Übergangs­temperatur in einer Kuprat­verbindung nachzuweisen. Dieser Zustand entsteht, weil sich die supraleitende Flüssigkeit, welche den widerstandslosen Strom trägt, nicht homogen verteilt. In dem untersuchten System bilden sich stattdessen ein­dimensionale Flüsse, welche entlang der Kristall­achse um neunzig Grad rotiert sind.

Supraleitung, oder der verlustfreie Transport von Elektrizität, wurde zuerst in Metallen beobachtet, die fast bis auf den absoluten Nullpunkt gekühlt wurden. In den letzten Jahr­zehnten wurden neue, meist keramische, Werkstoffe wie z.B. dotierte Kupfer­oxide (Kuprate) entdeckt. In ihnen tritt Supra­leitung bei wesentlich höheren Temperaturen auf. Der Mechanismus, auf dem diese Hochtemperatur-Supra­leitung basiert, bleibt jedoch bis heute ein Rätsel.

Gekühlte Kuprate entwickeln nicht nur einen supraleitenden Zustand, sondern auch andere Phasen, die mit der ausgebildeten supra­leitenden Flüssigkeit wechselwirken. Besonders bemerkens­wert ist ein mit dem Supra­leiter verflochtener Zustand, bei dem die Flüssigkeit räumlich moduliert und nicht homogen angeordnet ist. Obwohl ein gestreifter Supra­leiter elektrische Ströme nicht effizient überträgt, kann dieser Zustand genutzt werden, um die kritische Temperatur eines Supra­leiters zu erhöhen.

Kuprat-Supraleiter sind Schicht­materialien mit abwechselnd supra­leitenden und isolierenden Ebenen. Die supra­leitende Phase wird in jeder Schicht gebildet, und die drei­dimensionale Supra­leitung wird durch quanten­mechanisches Tunneln senkrecht zu den Ebenen ermöglicht.

In einem gestreiften Supraleiter sind die Tunnel­ströme gleich Null. Das heißt, die Ströme fließen lokal an jedem Punkt im Raum, aber ihre Gesamt­summe verschwindet. Es ist daher schwierig, die Existenz eines gestreiften Supra­leiters zu erfassen. Zur Überwindung dieses Problems verwendeten Rajasekaran, Cavalleri und ihre Mitarbeiter starke Tunnelströme – weit über dem Niveau, welches üblicher­weise zum Nachweis eines Supra­leiters verwendet wird. In Ihrem Experiment wiesen sie nach, dass der Tunnel­effekt auch bei gestreifter Supra­leitung nicht mehr gleich Null ist.

Zusammen mit Theoriekollegen aus der Arbeitsgruppe von Ludwig Mathey an der Universität Hamburg haben die Wissenschaftler des MPSD auch eine quantitative Beschreibung der Ergebnisse geliefert, die nun eine solide theoretische Basis haben. Die Studie bezieht sich weitgehend auf frühere Arbeiten der Cavalleri-Gruppe, die darauf abzielen, verdeckte Supra­leitung in komplexen Materialien zu manipulieren. Sie eröffnet neue Wege, um versteckte Ordnungen in vielen anderen Fest­körper­systemen zu untersuchen.

MPSD / DE