Supraleitende Elektronenpaare in Isolatoren

Entdeckung widerspricht der Intuition von Physikern

Providence (USA) - Supraleiter transportieren elektrischen Strom ohne Widerstand, da sich die Leitungselektronen in ihnen nicht einzeln sondern in Paaren fortbewegen. Forscher der Brown-University in Providence berichten jetzt im Fachjournal "Science", dass solche "Cooper-Paare" auch in Isolatoren auftreten können. Sie hatten sowohl isolierende als auch supraleitende Filme untersucht, die aus nur wenigen Atomlagen des Metalls Wismut bestanden. Ihre Experimente liefern neue Erkenntnisse zu der von Festkörperphysikern kontrovers diskutierten Frage, wie der Übergang zwischen isolierenden und supraleitenden Materiezuständen erfolgt.

"Unsere Beobachtung widerspricht der Intuition", sagt James Valles, Physikprofessor an der Brown-University in Providence. "Die Cooper-Paare sind nicht nur für die widerstandsfreie Stromleitung verantwortlich, sondern sie können den Stromfluss auch vollständig blockieren". Den Übergang vom Supraleiter zum Isolator realisierten Brown und sein Team, indem sie die Dicke der Wismutfilme verringerten. Die Atomlagen des Metalls deponierten sie auf einer porösen Unterlage aus Aluminiumoxid, die eine honigwabenähnliche Anordnung aus winzigen Löchern enthielt. Die Forscher beobachteten, dass der elektrische Widerstand der Isolatorfilme oszillierte, wenn sie ein Magnetfeld anlegten und dessen Stärke systematisch erhöhten.

Dieser Effekt spiegelt ein quantenphysikalisches Phänomen wider -- die Quantisierung des magnetischen Flusses in Supraleitern. Aus der Analyse ihrer Daten schlossen Valles und Kollegen, dass die Elektronen in den isolierenden Filmen gepaart vorliegen müssen. Die Löcher in der Unterlage aus Aluminiumoxid mit einem Durchmesser von etwa 50 Nanometern sind für den Nachweis der Cooper-Paare entscheidend. Sie sorgen dafür, dass diese räumlich begrenzt bleiben und keinen kontinuierlichen Stromfluss erzeugen können.

Die Arbeit werfe ein faszinierendes neues Licht auf Quantenphänomene, so würdigt Leon Cooper die Arbeit seiner Kollegen. Der 77-jährige Cooper ist Namensgeber für die supraleitenden Elektronenpaare und noch als Professor an der Brown-University aktiv. Zusammen mit John Bardeen und Robert Schrieffer hatte er vor 50 Jahren die bis heute gültige Erklärung für die Supraleitung veröffentlicht, die als BCS-Theorie bekannt wurde. Für ihren Durchbruch wurden die Forscher 1972 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.