Neue Supraleitung-Theorie verzichtet auf Phononen

Klassisches Erklärungsmodell kann deutlich erweitert werden

Cambridge (Großbritannien) - Aluminium, Blei oder Quecksilber: Diese Metalle zählen zu den konventionellen Supraleitern. Abgekühlt auf extrem tiefe Temperaturen leiten sie Strom ohne elektrischen Widerstand. Diese Typ-1 Supraleiter werden heute mit der BCS-Theorie -- benannt nach den Entdeckern John Bardeen, Leon N. Cooper und John R. Schrieffer -- erklärt. Schwingungen im Kristallgitter, die Phononen, spielen dabei eine Schlüsselrolle für den Energietransfer zwischen Elektronen. Zwei Elektronen bilden dabei ein so genanntes Cooper-Paar. In der Zeitschrift "Nature" berichten nun britische Physiker in einem Überblicksartikel, wie die Anziehung zwischen den Elektronenpaaren auch ohne Phononen auskommen könnte.

"Eine solche Anziehung ohne Phononen kann zu einer Elektronenpaarung und zu unkonventionellen Formen der Supraleitung führen", schreiben Gilbert Lonzarich von der Cambridge University und seine Kollegen von der University of Edinburgh und der University of California in Davis. Für konventionelle Supraleiter reicht eine Wechselwirkung über Phononen zur Erklärung aus, doch mit Hochtemperatur-Supraleitern wie beispielsweise Kupferoxide mit Sprungtemperaturen bis zu 160 Kelvin ändert sich dies. Ohne die Gitterschwingungen bietet sich an, die anziehende Wechselwirkung zwischen den Elektronenpaaren mit Spin-Spin-Mechanismen zu erklären.

Besonders in Systemen mit magnetischen Instabilitäten -- also nahe am Ferro- oder Antiferromagnetismus -- wird die Spin-Spin-Wechselwirkung wichtig. So können zwei Cooperpaare mit dem gleichen Spin das notwendige anziehende Potential aufbauen, um einen supraleitenden Zustand zu erreichen. Bei diesen theoretischen Betrachtungen nimmt die Kopplung der Quasipartikel über Phononen nur noch den Charakter eines Spezialfalls ein.

Durch den Verzicht auf Phononen bei der Erklärung der Supraleitung eröffnen sich nach Aussage der Forscher zahlreiche weitere Möglichkeiten für die wirksamen Mechanismen. Für diese unkonventionellen Formen der Supraleitung müssen jedoch präzise die Kristallstrukturen und die magnetischen und elektronischen Eigenschaften der verschiedenen Materialien betrachtet werden. Diese Vielfalt des Verhaltens selbst auf einfachstem Niveau könne zu weiteren Verbesserungen der Materialeigenschaften führen, so die Autoren. "Ohne Zweifel halten diese Systeme noch viel mehr Überraschungen bereit."