Zweidimensionale Supraleitung

Eine internationale Forschergruppe hat ein neue Art von Supraleitern gefunden: die Berührungsflächen isolierender Kristalle bilden einen zweidimensionalen Supraleiter.

Supraleiter sind Materialien die elektrischen Strom verlustfrei transportieren können. Kühlt man Niob oder Blei tief ab, werden überall in diesen Metallen die Elektronen supraleitend. In Ihrer Online-Ausgabe Science Express berichtet die Zeitschrift Science, dass Physiker des Centers for Electronic Correlations and Magnetism (EKM) und des Sonderforschungsbereichs 484 „Kooperative Phänomene im Festkörper“ der Universität Augsburg sowie Kollegen der Universitäten Genf und Cornell und des Naval Research Labors in Washington eine neue Art von Supraleitern gefunden haben. In den in Augsburg und Genf hergestellten Kristallpaketen sind die Kristalle selbst gar nicht supraleitend. Stattdessen bilden die Berührungsflächen der isolierenden Kristalle einen zweidimensionalen Supraleiter. Dieser ist weniger als ein hunderttausendstel Millimeter dick. Da die Kristalle zwar die Supraleitung der Grenzschicht verursachen, selbst aber nicht leitfähig sein müssen, eröffnen sich neue Möglichkeiten, die Supraleitung durch Optimierung der Kristalle zu verbessern.

Wie in Kupfer wird in Supraleitern der elektrische Strom durch Elektronen getragen. Das Kristallgitter der Supraleiter verursacht eine Anziehungskraft zwischen den Elektronen, die sich deswegen als Paare durch den Kristall bewegen und dabei den Strom verlustlos transportieren.

Die Augsburger Physiker haben nun Kristallpakete aus jeweils zwei verschiedenen Isolatoren (Strontiumtitanat und Lanthanaluminat) hergestellt, an denen die Elektronen höchst präzise entlang der Grenzschichten fließen. Dabei spüren die Elektronen die Kristalleigenschaften der benachbarten Isolatoren und werden von diesen zu Paaren gekoppelt. Damit wird die Grenzschicht supraleitend und bildet einen zweidimensionalen Supraleiter. Bislang müssen diese Proben noch bis auf –273 °C gekühlt werden, um supraleitend zu sein: Theoretische Modelle die in Augsburg schon im Jahr 2004 von Thilo Kopp und Verena Körting entwickelt wurden, lassen erwarten, dass diese Temperatur deutlich erhöht werden kann.

Da die supraleitenden Grenzschichten in unmittelbarem Kontakt zu den Isolatoren stehen und die Paarung durch die Isolatoren verursacht wird, bieten sich neue Perspektiven, die Supraleitung durch Änderung der Eigenschaften der Isolatoren zu beeinflussen und zu verbessern.

Quelle: Uni Augsburg

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  N. Reyren et al., Superconducting Interfaces Between Insulating Oxides, Science Express (2. August, 2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1146006
• Lehrstuhl Experimentalphysik VI/Elektronische Korrelationen und Magnetismus, Uni Augsburg:
  http://www.physik.uni-augsburg.de/exp6/index/index_d.shtml
• Sonderforschungsbereich 484 (Kooperative Phänomene im Festkörper: Metall-Isolator-Übergänge und Ordnung mikroskopischer Freiheitsgrade):
  http://www.physik.uni-augsburg.de/sfb484/