Metall aus Molekülen zeigt Ähnlichkeit mit Hochtemperatursupraleitern

Ein amerikanisch-britisches Forscherteam hat eine mögliche Erklärung für die so genannten Hochtemperatursupraleitung gefunden. Die Forscher haben Metalle untersucht, die aus organischen Molekülen aufgebaut sind. Dabei fanden sie einen auch in Kupferoxiden beobachteten Zwischenzustand, in dem sich das Material nicht richtig entscheiden kann, ob es normales Metall oder Supraleiter sein soll.

Oxford (Großbritannien) - In beiden Substanzklassen könnte ein ähnlicher Mechanismus für die Supraleitung verantwortlich sein, berichten die Forscher im Fachblatt "Nature". Seit seiner Entdeckung im Jahr 1986 hatten die Physiker weltweit das Phänomen Hochtemperatursupraleitung trotz immenser Forschungsanstrengungen nicht stimmig erklären können.

Damit Strom ohne Widerstand transportiert werden kann, muss ein kollektiver Quantenzustand ausgebildet werden, in dem sich alle Elektronen in Paaren -- sogenannten Cooper-Paaren -- bewegen. Um die Paare aufzubrechen und so die Supraleitung zu zerstören, ist die Zufuhr einer definierten Mindestenergie nötig. Die Elektronen müssen eine Energielücke ("Gap") überwinden, bevor sie sich im normalleitenden Zustand wieder unabhängig voneinander bewegen können. Intensiv diskutiert haben Physiker die Beobachtung, dass in einigen der supraleitenden Kupferoxide beim Übergang vom Normalleiter zum Supraleiter ein Zwischenzustand durchlaufen wird, in dem bereits oberhalb der kritischen Temperatur eine Energielücke auftritt -- sie sprechen hier von einem Pseudogap. Was das für die Supraleitung bedeutet, ist aber umstritten. Eine Möglichkeit ist, dass die Cooper-Paare bereits vorgebildet werden, bevor der eigentliche Übergang zur Supraleitung erfolgt.

Bisher seien solche Pseudogap-Phänomene nur in der Klasse der supraleitenden Kupferoxide studiert worden, schreiben Moon-Sun Nam und Kollegen von der University of Oxford und dem Argonne National Laboratory. Jetzt konnten sie einen solchen Effekt auch in einer ganz anderen Stoffklasse nachweisen, in der metallische und supraleitende Schichten aus organischen Molekülen durch anorganische isolierende Schichten voneinander getrennt sind. Das Besondere an diesen Molekülverbindungen ist, dass die Forscher ihre elektrischen Eigenschaften durch chemische Veränderung der anorganischen Bereiche gezielt einstellen konnten. Je nach Zusammensetzung sind die Stoffe entweder Isolatoren oder Metalle und Supraleiter. Das einzige, was die Physiker durch die chemische Modifikation beeinflussen, ist die Beweglichkeit der für den Stromtransport verantwortlichen Elektronen.

Moon-Sun Nam und Kollegen haben nun gezeigt, dass in den organischen Supraleitern bereits oberhalb der kritischen Temperatur ein Zustand mit einer flüchtigen, fluktuierenden Supraleitung auftritt -- und zwar gerade dann, wenn der Übergang vom Isolator zum Metall erfolgt. Das erinnert an die Kupferoxide, die ebenfalls durch chemische Veränderungen vom Isolator zum Metall werden. Auch der merkwürdige Pseudogap-Zustand wird im Übergangsbereich zwischen Isolator und Metall beobachtet. Allerdings sind die Auswirkungen chemischer Substitutionen in den Kupferoxiden viel komplizierter und schlechter theoretisch zu erfassen. So ändert sich nicht nur die Beweglichkeit sondern auch die Zahl der Ladungsträger, und der geordnete Aufbau der Stoffe wird gestört. Die organischen Metalle könnten daher als einfachere Modellsysteme zum Test von Theorien dienen, wenn auch die supraleitenden Sprungtemperaturen wesentlich tiefer liegen.