Wie ein Material zum Supraleiter wird

Für die technologische Anwendung ist es erstrebenswert, Supra­leiter zu verwenden, die eine hohe Sprung­tempe­ratur haben. Ober­halb dieser Tempe­ratur befindet sich das Material im normal leitenden, unter­halb davon im supra­leitenden Zustand. Bei Hoch­tempe­ratur­supra­leitern kann wegen ihrer höheren Sprung­tempe­ratur für die Kühlung der preis­wertere flüssige Stick­stoff verwendet werden – statt des wesentlich teureren, flüssigen Heliums bei her­kömm­lichen Supra­leitern.

Obwohl Bei Hochtemperatursupraleiter bereits seit vielen Jahren bekannt sind, hat man bisher noch nicht genau ver­standen, wie der physi­ka­lische Mecha­nis­mus dahinter funk­tio­niert und warum manche der Materi­alien bereits bei Tempe­ra­turen von über hundert Kelvin zum Supra­leiter werden, andere mit ganz ähn­lichen kris­tal­linen Struk­turen jedoch erst unter zehn Kelvin, und andere wiederum gar nicht. Würde man diese Zusam­men­hänge besser ver­stehen, so wäre es in Zukunft even­tuell mög­lich, diese Leitung von Strom ohne Ver­luste auch bei höheren Tempe­ra­turen zu erreichen.

Forscher der Uni Leipzig gelang jetzt gemeinsam mit Kollegen aus den USA und Däne­mark ein ent­schei­dender Schritt auf dem Weg zu einem besseren Ver­ständ­nis des Phäno­mens: Voraus­setzung für die Supra­leitung ist, dass bei tiefen Tempe­ra­turen zwischen zwei Elek­tronen eine anzie­hende Wechsel­wirkung ent­steht. Dadurch können jeweils zwei Elek­tronen mit unter­schied­lichem Eigen­dreh­impuls ein Cooper-Paar bilden. Die Cooper-Paare tragen dann dazu bei, den Strom verlust­frei durch den Supra­leiter zu trans­por­tieren. Das Forscher­team konnte nun heraus­finden, wie es zu dieser selek­tiven Paar­bildung kommen kann.

„Wir haben beobachtet, dass es zwei Arten von Elek­tronen gibt, die sich durch elek­tro­nische Zustände, also ihren Auf­ent­halt in unter­schied­lichen Orbi­talen, unter­scheiden. Elek­tronen in einem bestimmten Orbital bilden Cooper-Paare, während Elek­tronen des anderen Orbi­tals zur not­wen­digen Wechsel­wirkung bei­tragen. Das eine Elektron ist in Längs­rich­tung aus­ge­richtet, das andere Elek­tron vor allem in Quer­rich­tung", erklärt Andreas Kreisel von der Uni Leipzig. „Ent­schei­dend für die Cooper-Paarung ist, dass die Elek­tronen in jeweils ver­schie­denen elek­tro­nischen Zu­ständen sind.“

Zu diesen Erkenntnissen gelangten die Physiker anhand von Eisen-Selenid, einem eisen­basierten Hoch­tempe­ratur­supra­leiter, der sich unter anderem durch seinen ein­fachen chemischen Aufbau gut eignet, um die Mecha­nismen der Supra­leitung auf­zu­klären. Unter­sucht haben die Wissen­schaftler die Eigen­schaften der Elek­tronen mit­hilfe der Scanning-Tunneling-Mikro­skopie.

AML / RK