Supraleiter auf dem Sprung zu höheren Temperaturen

Flipflop von Minimagneten

<p>Abb. D: Aufbau des Kristallgitters des wichtigen Hochtempera­tur-Supraleiters YBa<sub>2</sub>Cu<sub>3</sub>0<sub>7</sub>. Die Kupfer-Atome sind rot dargestellt, Sauerstoff blau, Yttrium grau, Barium grün. Auf den CuO<sub>2</sub>-Ebenen fließen die Supraströme.</p> Bild vergrößern

Abb. D: Aufbau des Kristallgitters des wichtigen Hochtempera­tur-Supraleiters YBa2Cu307. Die Kupfer-Atome sind rot dargestellt, Sauerstoff blau, Yttrium grau, Barium grün. Auf den CuO2-Ebenen fließen die Supraströme.

„In einem Supraleiter reagieren also alle Leitungselektronen in einem Kollektiv", erklärt Bernhard Keimer. Er ist Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und forscht mit seinem Team an Hochtemperatur-Supraleitern. Die Stuttgarter arbeiten auch mit Andrea Cavalleri in Hamburg zusammen. Ausgerechnet die Hochtemperatur-Supraleiter bescherten Kamerlingh Onnes' Erben ein neues Problem: Die bewährte BCS-Theorie versagt bei ihnen. Wegen der hohen Temperaturen scheidet die Kristallgitter-Matratze als Vermitt­lerin für die Cooper-Paare aus. Dafür wäre die thermische Be­wegung der Atome zu heftig. Doch auch für die Supraleitung bei hohen Temperaturen sorgen Cooper-Paare. Es muss also einen anderen Mechanismus geben, der die Elektronen verpaart. 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 Sandwiches sind wiederum aufeinander gestapelt. In jedem Sandwich steckt bei den 1986 entdeck­ten Kupraten mindestens eine Ebene aus Kupferoxid (Abb. D). Schon bald war klar, dass der Suprastrom entlang dieser flachen, praktisch zweidimensionalen Schicht fließt. Aber was erzeugt die Cooper-Paare?

Die Stuttgarter Physiker haben einen Hauptverdächtigen im Visier: den Magnetismus. Elektronen haben einen „Spin", der sie zu winzigen Magneten macht. In magnetischen Materialien richten sich viele Spins in dieselbe Richtung aus. So bilden sie zusammen ein „magnetisches Moment". Diesen Ferromagne-tismus kennen alle 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. Auch in der 2008 entdeckten, zweiten Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern, den eisenbasierten Supraleitern, spielt der Magnetismus eine wichtige Rolle.

Keimer ist optimistisch, dass Physikerinnen und Physiker immer besser verstehen, wie die Hochtemperatur-Supraleitung funkti­oniert. Vielleicht können sie so auch Supraleiter finden, die bei Raumtemperatur funktionieren. Dann könnte Heike Kamerlingh Onnes' coole Vision wahr werden.

Der Text wird unter CC BY-NC-SA 4.0 veröffentlicht.

TECHMAX Ausgabe 5, überarbeitet im Frühjahr 2020; Redaktion: Tanja Fendt, Autor: Roland Wengenmayr

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