Aufbau des Kristallgitters eines Hochtemperatur-Supraleiters. Die Kupferatome sind rot dargestellt, Sauerstoff blau, Yttrium schwarz und Barium grün.
Supraleiter sind Kristalle. Für Physiker ist ein Kristall eine tolle Sache, denn in ihm bilden die einzelnen Atome eine sehr regelmäßige, räumliche Struktur. Daher lässt sich so ein Kristallgitter recht elegant mit mathematischen Formeln beschreiben. Allerdings sind diese Gleichungen meist nur lösbar, wenn die Physiker sie vereinfachen. Das birgt bei komplexer aufgebauten Kristallen die Gefahr, dass die Forscher in ihrem vereinfachten Modell eine ganz wesentliche Eigenschaft des echten Kristalls ausblenden. Natürlich wissen die Physiker um diese Gefahr und machen deshalb ausgefeilte Experimente an den echten Kristallen. Anhand der dabei gewonnenen Messdaten können sie ihre Modelle dann gezielt verbessern.
In diesem Stadium befindet sich heute die Forschung an Hochtemperatur-Supraleitern. Deren Kristalle sind nämlich ziemlich komplex aufgebaut, zum Beispiel aus den Atomen Yttrium, Barium, Kupfer und Sauerstoff. Deshalb haben die Physiker auch gut zwanzig Jahre nach der Entdeckung noch nicht völlig entschlüsseln können, welcher Mechanismus denn nun ganz genau die Supraleitung bei so hohen Temperaturen bewirkt: Der Rekord liegt immerhin bei 132 Kelvin! Davon hätten die Physiker noch 1985 nicht zu träumen gewagt. Das Rätsel um die Hochtemperatur-Supraleitung wollen Forscher wie Bernhard Keimer, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, endgültig lösen. Als Festkörperphysiker ist er ein Experte für Kristalle. Mit seinen Experimenten versucht er tief in das Innenleben dieser Supraleiter hinein zu schauen.
Leider kann man nicht einfach ein normales Lichtmikroskop nehmen, um sich den atomaren Aufbau eines Kristalls anzuschauen. Das liegt daran, dass die einzelnen Atome viel zu klein sind. Sie haben im Kristallgitter auch noch einen unglaublich winzigen Abstand untereinander: Er entspricht nur einigen Zehnteln Nanometer, und ein Nanometer ist der Milliardste Teil eines Meters! Für so kleine Strukturen ist sichtbares Licht viel zu langwellig. Wenn seine Wellen durch einen durchsichtigen Kristall hindurch laufen, dann beeinflussen die Atome des Kristallgitters sie so wenig wie ein Schwimmer die Dünung des Meeres. Der Informationsgewinn ist praktisch null. Also müssen die Physiker Mikroskope bauen, die etwas anderes als sichtbares Licht benutzen. Eine Möglichkeit bietet sehr kurzwelliges Licht: Röntgenlicht setzen Forscher tatsächlich zur Bestimmung von Kristallstrukturen schon seit vielen Jahrzehnten ein. Die kurzen Röntgenwellen liefern vor allem genaue Informationen über die Positionen der verschiedenen Atome im Kristallgitter.
Am Phänomen der Supraleitung sind jedoch in erster Linie bestimmte Elektronen beteiligt. Was genau treiben diese im Kristall? Bei klassischen Supraleitern aus Metallen wie Blei spielen sie eng mit dem Atomgitter zusammen, das bei tiefen Temperaturen auf ihre Bewegungen wie eine weiche Matratze reagiert (siehe "Elektronenpärchen auf weicher Matratze"). Bei Hochtemperatur-Supraleitern dagegen haben die Physiker starke Hinweise, dass die Schwingungen der Atome im Kristallgitter keine so zentrale Rolle spielen. Wichtiger ist hier das komplexe Zusammenspiel der Elektronen untereinander.
Als perfekte Elektronenspäher eignen sich Neutronen, weswegen Festkörperphysiker gerne ein „Neutronenmikroskop“ benutzen. Neutronen sind elektrisch neutral, daher ihr Name. Das ist wichtig, weil sie sonst auf dem Flug durch den Kristall mit seinen negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Atomrümpfen nicht sehr weit kämen. Trotzdem sind sie für bestimmte Kräfte empfänglich, die gerade bei ihrer Annäherung an die gesuchten Elektronen eine wesentliche Rolle spielen.
Für diese „Sensibilität“ sorgen zwei Eigenschaften der Neutronen: Trotz ihrer Neutralität tragen sie nämlich ein magnetisches Moment. Das macht sie zu winzigen Elementarmagneten, die auf Magnetfelder reagieren können. Darüber hinaus verhalten sie sich auch noch wie mikroskopische Kreisel, genau wie Elektronen. Beide Sorten von Elementarteilchen haben einen Spin. Auch diese Spins können sich gegenseitig beeinflussen. Beim Flug durch den Kristall kann also das Neutron über magnetische Kräfte und über den Spin Informationen über die Elektronen aufnehmen
Kommt ein Neutron im Kristall in die Nähe eines Elektrons, dann beeinflussen sich die beiden Teilchen gegenseitig über magnetische Kräfte – und sie können ihre Spins umklappen. Deshalb müssen die Physiker den Zustand der Neutronen vor dem Durchflug durch den Probenkristall exakt kennen. Dann brauchen sie nur noch den Zustand der Neutronen nach dem Durchgang durch die Probe zu messen. Aus dieser Zustandsveränderung erhalten sie Informationen über die Elektronen im Kristall.
Bernhard Keimer benutzt für seine Forschung „Mikroskope“, die mit Neutronen arbeiten. Er erklärt, wie sie funktionieren: „Erst einmal produziert ein Forschungsreaktor die Neutronen.“ Diese speziellen, kleinen Kernreaktoren stehen zum Beispiel am Institut Laue-Langevin in Grenoble oder an der neuen Forschungsneutronenquelle FRM-II der TU München in Garching. „Diese Neutronen haben allerdings ganz verschiedene Energien“, fährt Keimer fort, „daraus muss man dann Neutronen mit einer ganz bestimmten Energie und einem bestimmten Spin selektieren.“ Danach bleiben Neutronen übrig, deren Eigenschaften die Physiker nun ganz genau kennen: Sie haben alle die gleiche „Einfallsenergie“, und auch ihre Spins deuten alle in die gleiche, bekannte Richtung.
Die Physiker zielen nun mit dem Strahl der so präparierten Neutronen auf ihren Probenkristall. Einige Neutronen kommen darin den Elektronen so nahe, dass sie abgelenkt werden. Physiker nennen dieses Ablenken „Streuen“. „Der an der Probe gestreute Strahl wird nun analysiert“, erklärt Bernhard Keimer, „das heißt, die Einfallsenergie und die Austrittsenergie der Neutronen gemessen.“ Dafür sorgt ein Detektor, der diese Neutronen nach der Probe einfängt. „Dann werden beide Energien einfach von einander subtrahiert, das ergibt dann die Anregungsenergie der Supraleitung“, fährt der Festkörperphysiker fort: „Außerdem misst man noch den Spin der Neutronen vor und nach der Streuung an der Probe.“
Das Messprinzip ist also gar nicht so schwer zu verstehen, aber die Experimente sind technisch sehr aufwändig. Der Forschungsreaktor selbst steckt hinter dicken Betonmauern, um die Umgebung vor gefährlicher radioaktiver Strahlung zu schützen. Einzig durch bestimmte Öffnungen können die im Reaktor frei werdenden Neutronen in Vakuumröhren zu den Experimenten fliegen. Dort sorgen große Stapel aus Beton- und Bleiblöcken dafür, dass Mensch und Natur keine Strahlung abbekommen. Nur die Probe und die Detektoren sind den Neutronen ausgesetzt.
Die Gewinnung der Messdaten ist eine technische Herausforderung. „Schon die Detektion der Neutronen ist gar nicht so einfach“, sagt Keimer, „denn das sind ja neutrale Partikel, die keinen elektrischen Strom erzeugen.“ Elektrische Ströme haben den Vorteil, dass sie sehr leicht und empfindlich messbar sind. Deshalb verwenden die Physiker einen Trick, um das Signal der Neutronen doch in einen elektrischen Strom umzuwandeln. „Es gibt verschiedene Prinzipien, nach denen solche Detektoren funktionieren“, erklärt der Max-Planck-Direktor, „und eines davon sind Reaktionen in den Atomkernen, bei denen Protonen erzeugt werden.“ Diese Protonen sind elektrisch positiv geladen und als fließender Strom gut messbar.
Wenn die Physiker mit dem Detektor die Daten über eine Veränderung der Energie und des Spins der Neutronen gesammelt haben, beginnt die Spurensuche. Dazu schauen sie sich ihre Messkurven genau an und versuchen herauszufinden, wo darin die wesentliche Information steckt. Um diese aufzuspüren, greifen die Forscher auf ihr Wissen aus früheren Experimenten zurück. Bernhard Keimer erklärt, was mit den Neutronen beim Durchflug durch den Kristall eines Hochtemperatur-Supraleiters genau passiert. Wenn er supraleitend ist, schließen sich die Leitungselektronen in ihm zu Cooper-Paaren zusammen. Sie bilden dann ein „quantenmechanisches Singlett“, wie Physiker das nennen. Das klingt schwierig, ist aber recht einfach: Die beiden Elektronen haben ihre Spins antiparallel ausgerichtet. Diese entgegengesetzte Orientierung sorgt auch dafür, dass sie sich als kleine Elementarmagneten gegenseitig „neutralisieren“. Von außen betrachtet, ist das Cooper-Paar also unmagnetisch.
Kommt dem Cooper-Paar ein Neutron nahe, dann bricht es mit seiner Flugenergie das Paar auf. Dabei klappt es den Spin eines der beiden Elektronen um, sodass beide Elektronenspins wieder parallel in die gleiche Richtung zeigen. Das Neutron verliert bei diesem Prozess eine ganz charakteristische Menge an Flugenergie und wird langsamer. Es verliert an Impuls, sagen die Physiker dazu. Und weil nach den Gesetzen der Quantenmechanik auch noch der Gesamtspin aller beteiligten Teilchen erhalten bleiben muss, erzwingt das Umklappen des einen Elektronenspins, dass auch der Spin des Neutrons umklappt.
Registrieren die Physiker also ein Neutron, dessen Spin um 180° gegenüber der Präparation verdreht ist, dann wissen sie ganz sicher, dass es unterwegs ein Elektron getroffen hat. Neutronen können nämlich auch aus ihrer Flugbahn geraten, wenn sie einem Atomkern im Kristall zu nahe kommen. Dabei klappt sein Spin jedoch nicht um. An diesem Streuprozess sind die Physiker nicht so sehr interessiert, weil er ihnen weniger Information über die Supraleitung liefert.
Eines ist schon sicher: Das Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung ist ziemlich komplex. Die daran beteiligten Elektronen bilden ein Kollektiv aus vielen Teilchen. In diesem Kollektiv beeinflussen sie sich gegenseitig, und zwar über größere Entfernungen hinweg. Dafür sorgen starke elektrische Kräfte, die die Physiker Coulomb-Wechselwirkung nennen. Die Stärke dieser Kräfte ist vermutlich auch verantwortlich dafür, dass die Supraleitung noch bei sehr hohen Temperaturen funktioniert. Die Elektronen bilden in bestimmten Ebenen des Kristalls ausgedehnte Felder. Dort stehen sie mit parallel und antiparallel ausgerichteten Spins wie Halme nebeneinander. Und wie in einem Getreidefeld, über das der Wind weht und die Halme in Wellenbewegungen versetzt, können auch die Spins der Elektronen in Wellenbewegungen wackeln. Deswegen heißen sie Spinwellen.
Diese Spinwellen sind vermutlich der entscheidende Mechanismus in der Hochtemperatur-Supraleitung. Bernhard Keimer und seine Kollegen sind ihnen mit Neutronen schon dicht auf den Fersen.
Roland Wengenmayr (2005)