Das Rätsel der Hochtemperatur-Supraleitung

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

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