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Wie Supraleitung in Kupraten funktioniert

Eine Rennbahn für Leitungselektronen

Bernhard Keimer vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart zeigt an Bildern, wie die Supraleitung in Kupraten wahrscheinlich funktioniert. In den Kupferoxid-Ebenen der Kristalle überlappen sich bestimmte Elektronenzustände der Kupferatome gegenseitig. Diese „d-Orbitale“ bilden die Rennbahn für die Leitungselektronen. Die Elektronen tendieren nun bei Annäherung zur supraleitenden Übergangstemperatur zu fluktuierender antiferromagnetischer Ordnung: Sie richten sich also in der engeren Nachbarschaft antiparallel aus.

Schichten ohne Widerstand: In dem Supraleiter, der YBCO genannt wird und der aus Yttrium (grau), Barium (grün), Kupfer (rot) und Sauerstoff (blau) besteht, wandern die Cooperpaare entlang der Kupferoxid-Ebenen (Pyramiden). © MPI für Festkörperforschung

Spur von geflippten Spins

Wenn nun ein elektrischer Strom fließt, dann müssen einzelne Leitungselektronen durch diese Spinlandschaft wandern. Die Regeln der Quantenphysik gebieten, dass sie dabei permanent die Spins von Elektronen, die ihnen begegnen, passend zum eigenen Spin umklappen. „Sie hinterlassen eine Spur von geflippten Spins, was eine Menge Energie kostet“, erläutert Keimer: „Ihre Bewegung durch so einen antiferromagnetischen Hintergrund ist sehr zäh!“

Diesen Energieaufwand können die Elektronen einsparen, wenn sie Cooperpaare formen – die wie bei den Schwere-Fermionen-Supraleitern sehr klein sind. Mit ihrem Gesamtspin von null werden sie gewissermaßen unsichtbar für das antiferromagnetische Stoppelfeld halbzahliger Spins. Sie rutschen ohne jeglichen Energieverlust durch, und das Kuprat wird perfekt elektrisch leitend.

Die Forschung soll der Gesellschaft etwas bringen

„Noch ist das eine Modellvorstellung“, sagt Keimer lächelnd. Ein Stuttgarter Team unter Leitung seines Mitarbeiters Vladimir Hinkov hat aber am Forschungsreaktor FRM-II in Garching mit Neutronen beobachtet, dass tatsächlich starke Spinfluktuationen auftreten. Die Messdaten gaben sie „ohne Feintuning“, so Keimer, in ein Modell ein, an dem Theoretiker in Stuttgart arbeiten. Diese rechneten damit eine Sprungtemperatur aus, bei der die Substanz theoretisch supraleitend wird. Der erste Schuss lag zwar mit 170 Kelvin fast doppelt so hoch wie die tatsächliche Sprungtemperatur der Substanz, aber aus Keimers Sicht ist das Resultat sehr ermutigend: „Je näher man hinschaut, desto einfacher wird das Bild.“

Herstellung künstlicher Kristalle perfektioniert

Die Stuttgarter haben auch die Herstellung künstlicher Kristalle perfektioniert, mit denen sie nun den Schichtaufbau der Kuprate imitieren wollen. Davon erhoffen sie sich weitere Lernschritte. „Man kommt mit einfachen Modellen bei der Hochtemperatur-Supraleitung sehr weit“, bilanziert Keimer optimistisch. Vielleicht tragen die Erkenntnisse eines Tages dazu bei, ein Material zu entwickeln, das Strom bei Zimmertemperatur ohne Widerstand leitet. Dieses Fernziel hat Bernhard Keimer im Blick. „Als Grundlagenforscher hat man schon die Vision, dass diese Forschung eines Tages der Gesellschaft etwas bringt.“

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Roland Wengenmayr / MaxPlanckForschung
Stand: 15.07.2011

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Paare in leitender Funktion
Phänomen Supraleitung

Ein niederländischer Physiker schreibt Geschichte
Die Entdeckung der Supraleitung durch Heike Kamerlingh Onnes

Ehe im weichen Gitterbett
Weiche Schwingungen verbinden zwei Elektronen

Quanten-Superkleber im Visier
Unkonventionelle Supraleitung

Kleine „Blasen“ im allgemeinen Chaos
Alternative Klebemechanismen

Eine Rennbahn für Leitungselektronen
Wie Supraleitung in Kupraten funktioniert

Fermion, Cooperpaar und Spinfluktuationen
Ein Glossar

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