Forscher kommen dem Rätsel der Hochtemperatur-Supraleiter näher
Physiker haben neue Hinweise darauf gefunden, warum bestimmte Materialien Strom bei vergleichsweise hohen Temperaturen widerstandslos leiten können. Eine wichtige Frage zur Supraleitung ist damit wohl geklärt.
Supraleiter transportieren elektrischen Strom ohne Energieverluste. Die meisten bekannten Materialien benötigen dafür allerdings Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Seit den späten 1980er-Jahren sind aber auch Cuprate, also kupferhaltige Verbindungen, bekannt, die bereits bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden. Sie lassen sich mit vergleichsweise günstigem Flüssigstickstoff kühlen. Warum sie diese Eigenschaft besitzen, ist bislang jedoch nicht abschließend geklärt.
Ein Forschungsteam um Milan Allan von der Ludwig-Maximilians-Universität München und Ingmar Swart von der Universität Utrecht hat nun eine wichtige Spur untersucht: den sogenannten Pseudogap. Dabei handelt es sich um einen Zustand, in dem bei bestimmten Energien weniger Elektronen nachweisbar sind, als eigentlich erwartet. Die Wissenschaftler konnten mithilfe elektrischer Rauschmessungen zeigen, dass dieser Zustand eng mit der Bildung von Elektronenpaaren zusammenhängt.
Bislang standen sich zwei Erklärungsansätze gegenüber: Einer These zufolge ordnen sich Elektronen in festen Strukturen an, etwa in Ladungsdichtewellen. Die andere geht davon aus, dass sie sich bereits vor dem Einsetzen der Supraleitung zu Paaren verbinden. Solche sogenannten Cooper-Paare bilden die Grundlage für den verlustfreien Stromtransport.
Die Wissenschaftler nutzten dafür ein Rastertunnelmikroskop, das Strom zwischen einer extrem feinen Spitze und einem Cuprat-Kristall fließen ließ. Anhand der Geräuschsignale konnten sie feststellen, bei welchen Energien sich Elektronenpaare bilden. Das zusätzliche Rauschen setzte genau dort ein, wo auch der Pseudogap auftritt. Dieser Zusammenhang zeigte sich bei unterschiedlichen Proben und an verschiedenen Stellen ihrer Oberflächen.
Die Ergebnisse sprechen dafür, dass sich Elektronenpaare bereits bei deutlich höheren Temperaturen beziehungsweise Energien bilden, als für die Supraleitung erforderlich sind. Erst bei weiterer Abkühlung entsteht die sogenannte Phasenkohärenz, durch die sich die Paare gemeinsam bewegen können. Damit könnte zukünftig weniger die Bildung der Paare selbst, sondern deren gemeinsames Verhalten der entscheidende Ansatzpunkt sein, um Supraleiter mit höheren Übergangstemperaturen zu entwickeln.
Siehe auch:
- Laut einer Studie bilden sich Elektronenpaare lange vor Supraleitung
- Cuprate leiten Strom bereits bei deutlich höheren Temperaturen verlustfrei
- Ein Forschungsteam maß das Schrotrauschen per Rastertunnelmikroskop
- Der rätselhafte Pseudogap-Zustand hängt eng mit den Elektronenpaaren zusammen
- Die gemeinsame Bewegung der Paare entsteht erst bei weiterer Abkühlung
- Erkenntnisse könnten helfen, Supraleiter für höhere Temperaturen zu finden
Paare bilden sich früh
Eine aktuelle Untersuchung von Kupferoxid-Verbindungen deutet darauf hin, dass sich Elektronen bereits lange vor dem Einsetzen der Supraleitung zu Paaren verbinden. Diese Erkenntnis könnte helfen, das seit Jahrzehnten ungelöste Rätsel der Hochtemperatur-Supraleitung besser zu verstehen.Supraleiter transportieren elektrischen Strom ohne Energieverluste. Die meisten bekannten Materialien benötigen dafür allerdings Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Seit den späten 1980er-Jahren sind aber auch Cuprate, also kupferhaltige Verbindungen, bekannt, die bereits bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden. Sie lassen sich mit vergleichsweise günstigem Flüssigstickstoff kühlen. Warum sie diese Eigenschaft besitzen, ist bislang jedoch nicht abschließend geklärt.
Ein Forschungsteam um Milan Allan von der Ludwig-Maximilians-Universität München und Ingmar Swart von der Universität Utrecht hat nun eine wichtige Spur untersucht: den sogenannten Pseudogap. Dabei handelt es sich um einen Zustand, in dem bei bestimmten Energien weniger Elektronen nachweisbar sind, als eigentlich erwartet. Die Wissenschaftler konnten mithilfe elektrischer Rauschmessungen zeigen, dass dieser Zustand eng mit der Bildung von Elektronenpaaren zusammenhängt.
Bislang standen sich zwei Erklärungsansätze gegenüber: Einer These zufolge ordnen sich Elektronen in festen Strukturen an, etwa in Ladungsdichtewellen. Die andere geht davon aus, dass sie sich bereits vor dem Einsetzen der Supraleitung zu Paaren verbinden. Solche sogenannten Cooper-Paare bilden die Grundlage für den verlustfreien Stromtransport.
Neue Antworten
Um zwischen diesen Möglichkeiten zu unterscheiden, untersuchten die Forscher nun das sogenannte Schrotrauschen. Dabei handelt es sich um winzige Schwankungen eines elektrischen Stroms, die entstehen, wenn einzelne Ladungsträger nacheinander eintreffen. Werden Elektronen als Paare übertragen, verändert sich dieses Rauschen messbar.Die Wissenschaftler nutzten dafür ein Rastertunnelmikroskop, das Strom zwischen einer extrem feinen Spitze und einem Cuprat-Kristall fließen ließ. Anhand der Geräuschsignale konnten sie feststellen, bei welchen Energien sich Elektronenpaare bilden. Das zusätzliche Rauschen setzte genau dort ein, wo auch der Pseudogap auftritt. Dieser Zusammenhang zeigte sich bei unterschiedlichen Proben und an verschiedenen Stellen ihrer Oberflächen.
Die Ergebnisse sprechen dafür, dass sich Elektronenpaare bereits bei deutlich höheren Temperaturen beziehungsweise Energien bilden, als für die Supraleitung erforderlich sind. Erst bei weiterer Abkühlung entsteht die sogenannte Phasenkohärenz, durch die sich die Paare gemeinsam bewegen können. Damit könnte zukünftig weniger die Bildung der Paare selbst, sondern deren gemeinsames Verhalten der entscheidende Ansatzpunkt sein, um Supraleiter mit höheren Übergangstemperaturen zu entwickeln.
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Christian KahleRedakteur für Forschung, Energie und Raumfahrt
Begleitet die IT-Branche seit dem Dotcom-Boom, Informatik studierte er in Berlin. Sein Spektrum reicht von Quantencomputern über Solarstrom bis zur Raumfahrt.
