Der neue supraleitende Zustand

Den Meißner-Ochsenfeld-Effekt im Blick

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Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt: Magnetfelder können nicht in ein Metall eindringen, wenn es im supraleitenden Zustand ist. Dies führt dazu, dass ein Stück eines Supraleiters in einem äußeren Magnetfeld zu schweben beginnt, sobald die supraleitende Sprungtemperatur unterschritten wird. Der Grund für dieses ungewöhnliche Verhalten sind elektrische Abschirmströme, die im Supraleiter angeworfen werden und deren Magnetfeld dem ursprünglichen Feld entgegenwirkt. (MPI für Festkörperforschung, Stuttgart)

Der Mechanismus, der zur Bildung des makroskopischen supraleitenden Quantenzustandes in den Hochtemperatursupraleitern führt, liegt indes noch immer im Dunkeln. Es scheint aber klar zu sein, dass in diesen Materialien die direkte Wechselwirkung der Elektronen untereinander - ohne Vermittlung durch die Schwingungen der Atome - für ihre gegenseitige Anziehung und damit für die Bildung der Cooper-Paare entscheidend mitverantwortlich ist. Und in Experimenten hat man direkte Hinweise gefunden, dass der makroskopische supraleitende Zustand in Hochtemperatursupraleitern qualitativ verschieden ist von dem in den normalen Supraleitern: Er weist nämlich eine andere Symmetrie auf.

In den konventionelllen Supraleitern ist der supraleitende Zustand räumlich völlig isotrop und homogen. In ihm ist also keine Richtung und kein Ort ausgezeichnet. Die Anziehung zwischen den Elektronen und damit die Bildung von Cooper-Paaren ist ausschließliche Folge ihrer Kopplung über die Gitterschwingungen. Die Wellenfunktion, die das Verhalten der Elektronen in einem Cooper-Paar beschreibt, hat den Drehimpuls Null und ist deshalb ebenfalls isotrop. Zudem gestattet sie es, dass sich die beiden Elektronen am gleichen Ort aufhalten. In den Hochtemperatursupraleitern dagegen besitzt die Wellenfunktion der Elektronenpaare die Symmetrie eines Zustandes mit höherem Drehimpuls, nämlich die von atomaren d-Zuständen. Solche Zustände sind nicht isotrop, sie haben eine Vorzugsrichtung. Eine weitere Konsequenz der d-Zustände ist, dass sich die Elektronen eines Cooper-Paares nicht am gleichen Ort aufhalten können. Dies reduziert ihre elektrostatische Abstoßung erheblich und begünstigt die Paarbildung.

Schema eines Pi-SQUIDs

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Der sogenannte Pi-SQUID besteht aus zwei d-Wellen-Supraleitern (im Bild hellrot und dunkelrot), die durch dünne Isolatorschichten voneinander getrennt sind. Die Cooper-Paare können diese Schichten durchtunneln und von einem Supraleiter in den anderen gelangen. Die Doppelhanteln stellen die quantenmechanischen Wellenfunktionen der Cooper-Paare dar (weiß bzw. blau: positive bzw. negative Werte der Wellenfunktion). Auf dem unteren der beiden Wege müssen die Wellenfunktionen ihr Vorzeichen umkehren (ihre "Phase" um π ändern). Dieser Unterschied des Pi-SQUIDs zu entsprechenden Schaltkreisen aus herkömmlichen Supraleitern verleiht ihm neuartige Eigenschaften. (J. Mannhart, Universität Augsburg)

Einer Forschergruppe bei IBM Yorktown Heights in den USA ist es durch einen raffinierten Trick gelungen, die Vorzugsrichtung der Cooper-Paare in einem Hochtemperatursupraleiter sichtbar zu machen. Dazu haben sie supraleitende Ringe hergestellt, die aus Kristallen unterschiedlicher Orientierung bestehen. Dadurch besitzen auch die d-Zustände unterschiedliche Orientierung relativ zueinander. Die Ringe hatten einen Durchmesser von weniger als 60 Mikrometer. Die Theorie sagt vorher, dass in Ringen mit drei kristallographisch unterschiedlich orientierten Segmenten bei Unterschreitung der Sprungtemperatur spontan ein elektrischer Strom fließen sollte, der einen magnetischen Fluss durch den Ring hervorruft. Bei Ringen mit nur zwei Segmenten oder normalen supraleitenden Ringen fließt hingegen spontan kein Strom.

Die Stärke eines solchen Stromes in einem Supraleiterring kann allerdings nicht jeden beliebigen Wert annehmen. Der Theorie zufolge treten nur solche Stromstärken auf, die zu gewissen quantisierten Werten des magnetischen Flusses gehören. In der d-Wellen-Symmetrie muss der Fluss durch den Ring mit den drei Segmenten den Wert h/8πe haben, wobei h die Planck-Konstante und e die Elementarladung ist. Es sollte sich also unterhalb der Sprungtemperatur spontan ein quantisiertes magnetisches Moment dieser Größe ausbilden. Das kann man mit einem Rastermagnetometer sehr genau überprüfen. Im Rahmen der Messgenauigkeit erhielten die Forscher tatsächlich das vorhergesagte Resultat.

Solche ungewöhnlichen Eigenschaften können die Basis für interessante Anwendungen bilden: Die Möglichkeit, zeitlich stabile Flussquanten einer festen, vorgegebenen Größe zu erzeugen - und das vielleicht sogar kontrollierbar mit unterschiedlichem Vorzeichen - könnte für die Darstellung eines binären Codes genutzt werden. Damit wären neue Formen von Speicher- und Schaltelementen möglich, die im Gegensatz zur konventionellen Halbleitertechnologie verlustfrei arbeiten würden und mit denen sich zudem kürzere Schaltzeiten erreichen ließen. Das haben schon frühere Forschungen an konventionellen supraleitenden Schaltelementen gezeigt.