Die Hochtemperatur-Supraleitung wurde erst vor siebzehn Jahren entdeckt und hat mittlerweile zahlreiche Anwendungen gefunden. Doch der ihr zugrunde liegende Mechanismus ist bis heute nicht geklärt. Forscher des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart haben jetzt nachgewiesen, dass die Hochtemperatur-Supraleitung – entgegen den Vorhersagen einiger derzeit dominierender theoretischer Modelle – nicht auf einem unkonventionellen Paarungsmechanismus der Elektronen beruht.
Das gelang mit einer hochpräzisen Messtechnik, der Infrarot-Ellipsometrie mit Hilfe von Synchrotronstrahlung, die von den Wissenschaftlern in langjähriger Arbeit eigens dazu entwickelt wurde. Die mit der Synchrotron-Strahlquelle (ANKA) am Forschungszentrum Karlsruhe gemachten Befunde legen den Schluss nahe, dass auch die Hochtemperatur-Supraleitung – in modifizierter Form – durch die bestehende Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie der Supraleitung (BCS-Theorie) erklärt werden kann (Science, 30. April 2004).
Sprungtemperatur entscheidend
Normale Metalle haben einen endlichen elektrischen Widerstand. Fließt durch sie ein Strom, so ist das mit erheblichen Verlusten verbunden. Wertvolle Energie wird dadurch in Abwärme umgewandelt, die oftmals erhebliche technische Probleme verursacht. Einige Metalle werden jedoch unterhalb einer so genannten Sprungtemperatur zu Supraleitern. Diese leiten den elektrischen Strom widerstandsfrei, also ohne Verluste. Solche Supraleiter sind bereits seit fast hundert Jahren bekannt, ihre Sprungtemperatur liegt aber nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius. Da ihre Abkühlung sehr aufwändig ist, finden herkömmliche Supraleiter nur wenige Anwendungen, beispielsweise in Spulen für sehr starke magnetische Felder.
Die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung in einer Kupferoxid-Verbindung durch J.G. Bednorz und K.A. Müller im Jahre 1986 erregte deshalb sehr großes Aufsehen. Mittlerweile liegt der Rekord der Sprungtemperatur in dieser Materialklasse bei immerhin -139 °C. Diese Temperaturen kann man durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff (-195 °C) kostengünstig und ohne großen technischen Aufwand erreichen. Doch trotz der Erfolge bei der Herstellung und technischen Entwicklung dieser Materialien bleibt der dem Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung zugrunde liegende Mechanismus weiterhin ungeklärt.
Elektronenpaare trotz Abstoßung
Das ist um so erstaunlicher, als für die konventionellen Supraleiter bereits seit 1957 eine sehr detaillierte und erfolgreiche Theorie vorliegt. Der BCS-(Bardeen-Cooper-Schrieffer-) Theorie zufolge bilden zwei freie Elektronen eines Metalls unterhalb der Sprungtemperatur so genannte Cooper-Paare. Diese Elektronen-Paare haben völlig neue quantenmechanische Eigenschaften und ermöglichen den verlustfreien Stromtransport. Das Hauptproblem bei der Bildung von Cooper-Paaren besteht darin, dass Elektronen eine negative elektrische Ladung besitzen und sich deshalb stark abstoßen. Damit sich Cooper-Paare bilden können, ist also eine anziehende Kraft erforderlich, die der elektrostatischen Abstoßung entgegenwirkt. In herkömmlichen Supraleitern basiert diese Kraft auf einer koordinierten Verzerrung der positiv geladenen Atomkerne, den so genannten Phononen. Diese reduzieren die elektrostatische Abstoßung bzw. heben sie sogar auf.
Im Falle der Hochtemperatursupraleiter ist jedoch weitgehend erwiesen, dass die anziehende Wirkung aufgrund der Phononen viel zu schwach ist, um die extrem hohe Sprungtemperatur dieser Supraleiter zu erklären. Aus diesem Grund hat man in den letzten Jahren eine Reihe alternativer Modelle zur Erklärung der Hochtemperatur-Supraleitung entwickelt. So gehen einige konventionelle Modelle davon aus, dass die stärkere Wechselwirkung zum Beispiel über die Spinanregungen der Elektronen vermittelt werden.
Daneben bestehen aber auch mehrere unkonventionelle Modelle, die sich grundlegend von den BCS-artigen Modellen unterscheiden. Sie gehen von einer sehr starken Wechselwirkung der Elektronen aus, die bereits oberhalb der Sprungtemperatur, also im Normalzustand, gravierende Auswirkungen hat. Der Knackpunkt dieser Modelle ist die Annahme, dass die Elektronen die für sie nachteilige Wechselwirkung vermeiden können, indem sie wiederum Cooper-Paare bilden.
Licht als Messhilfe
Ob die Hochtemperatur-Supraleitung tatsächlich ein solch unkonventioneller Paarungsmechanismus beruht, versucht man insbesondere durch optische Untersuchungen dieser Materialien herauszufinden. Dafür geeignet ist die Ellipsometrie, eine Methode, mit der man nicht nur die Änderung der Intensität des einfallenden und reflektierten Lichtstrahls, sondern auch dessen Phasenverschiebung messen kann. Doch um die Änderung der kinetischen Energie der Ladungsträger bestimmen zu können, sind ellipsometrische Messungen bis in den Bereich des fernen Infrarot erforderlich. In diesem Spektralbereich waren präzise ellipsometrische Messungen an den vergleichsweise kleinen Proben der Hochtemperaturspraleiter bis vor kurzem nicht möglich. Erst der Forschergruppe um Christian Bernhard am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung ist es in den letzten Jahren gelungen, ein präzises Infrarot-Ellipsometer unter Einsatz einer Synchrotron-Strahlquelle zu entwickeln, die auch im Bereich des fernen Infrarot brilliante und sehr intensive Strahlung liefert.
Paarung doch konventionell
Die Messungen mit der neu geschaffenen Synchrotron-Strahlquelle ANKA zeigten, dass bei der Hochtemperatur-Supraleitung kein solch unkonventioneller Paarungsmechanismus der Elektronen vorliegt. Die ellipsometrischen Infrarotspektren stehen in klarem Widerspruch zu den Vorhersagen unkonventioneller Modelle der Hochtemperatursupraleitung. Die Messungen belegen vielmehr, dass die kinetische Energie der Ladungsträger im supraleitenden Zustand nicht anormal abgesenkt wird.
Ganz im Gegenteil, die Wissenschaftler beobachteten sogar eine geringfügige Erhöhung der kinetischen Energie, wie sie von der klassischen BCS-Theorie vorhergesagt wird. Hierfür verantwortlich ist die Bindung der Elektronen zu Cooper-Paaren, welche die Beweglichkeit der individuellen Elektronen einschränkt. Im Rahmen der BCS-Theorie wird dieser Nachteil aber durch die anziehende Wechselwirkung mehr als wettgemacht.
(MPG, 05.05.2004 – NPO)
