Flipflop von Minimagneten

Aufbau des Kristallgitters eines Hochtemperatur-Supraleiters. Die Kupferatome sind rot dargestellt, Sauerstoff blau, Yttrium schwarz und Barium grün.

Hochtemperatur-Supraleiter haben ein viel komplexeres Kristallgitter als Metalle. Sie bestehen aus mindestens vier Elementen, zum Beispiel Yttrium, Barium, Kupfer und Sauerstoff. Ihre Kristallgitter sind wie ein Sandwich aus verschiedenen Schichten aufgebaut, und diese Sandwichs sind wiederum aufeinander gestapelt. In jedem Sandwich steckt mindestens eine Ebene aus Kupferoxid. Die Forscher entdeckten schon bald, dass der Suprastrom entlang dieser praktisch zweidimensionalen Schicht fließt. Aber was erzeugt ausgerechnet in ihr die Cooper-Paare?

Die Stuttgarter Physiker haben einen Hauptverdächtigen im Visier: den Magnetismus. Elektronen haben einen so genannten Spin, der sie zu winzigen Magneten macht. In magnetischen Materialien drehen sich viele Spins in die gleiche Richtung. So bilden sie zusammen ein kräftiges magnetisches Moment. Diesen Ferromagnetismus kennt jeder von eisernen Magneten. In manchen Materialien ordnen sich die Spins auch so, dass sich ihre magnetischen Momente in der Summe gerade aufheben: Zeigt ein Elektronenspin in eine Richtung, dann klappt sein nächster Nachbar in die exakt entgegen gesetzte Richtung und so weiter.

Diesen Antiferromagnetismus hat Keimers Team in den Kupferoxid-Ebenen von Hochtemperatur-Supraleitern beobachten können. Allerdings existiert er dort nicht als feste Ordnung – er fluktuiert, weil die Elektronenspins ständig in Bewegung sind. Die Spinfluktuationen schaffen die richtige Umgebung für die Entstehung der Cooper-Paare, vermutet Keimer. Der Max-Planck-Forscher ist optimistisch, dass die Physiker bald genauer verstehen, wie die Hochtemperatur-Supraleitung funktioniert. Das Knacken dieser Nuss wäre sicher einen Nobelpreis wert.

Fast unbemerkt dringt das faszinierende Phänomen mittlerweile in die Alltagstechnik ein: High-Tech-Firmen entwickeln schon Kabel, Magneten, Transformatoren, Elektromotoren, Generatoren oder Magnetlager aus Hochtemperatur-Supraleitern. Die Chancen stehen nicht schlecht, dass Heike Kamerlingh Onnes’ coole Vision im 21. Jahrhundert wahr wird.

TECHMAX Ausgabe 5, Herbst 2005; Autor: Roland Wengenmayr