Hochtemperatur-Supraleitung wird schrittweise enträtselt

Für die Supraleitung in Kupraten, besonderen Keramikverbindungen, sind wahrscheinlich magnetische Anregungen im Material verantwortlich. Tübinger Forscher haben nun Berechnungen präsentiert, die sehr genau zu den Messwerten von Neutronenstreuungs- und Photoemissionsspektren passen.

Kristallstruktur eines Hochtemperatur-Supraleiters
Kristallstruktur eines Hochtemperatur-Supraleiters

Tübingen - Thomas Dahm vom Institut für theoretische Physik der Universität Tübingen ist es gelungen, Messungen an Hochtemperatur-Supraleitern, die mit inelastischer Neutronenstreuung (INS) und winkelaufgelöster Photoemissionsspektren (ARPES) gewonnen wurden, mit der Theorie in Einklang zu bringen. Die Arbeit entstand zusammen mit Kollegen des Max-Planck-Instituts für Festkörperphysik Stuttgart, des IFW Dresden, des BESSY Berlin und der Universitäten Santa Barbara und Würzburg.

Supraleitung bedeutet, dass ein Körper keinen elektrischen Widerstand aufweist. Physikalisch liegt das daran, dass die Ladungen im Inneren sich ungehindert bewegen können. Meist sind es Elektronen, zwischen denen eine anziehende Wechselwirkung bestehen muss, damit Supraleitung auftritt. In Metallen ist dies grundsätzlich dadurch möglich, dass die Elektronen über Schwingungen der im Metall in einem festen Gitter platzierten Atome miteinander wechselwirken. Dann kann es passieren, dass es jeweils für Elektronenpaare unmöglich ist, mit den Gitter-Atomen zusammenzustoßen. Eine Anziehung zwischen Elektronen gibt es in Metallen jedoch nur bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.

Seit 1986 Keramiken entwickelt worden waren, die auch bei höheren Temperaturen Supraleitung zeigen, suchten Physiker nach den Ursachen. Theorien hierzu sind wesentlich komplizierter als bei Metallen, da die Keramiken nicht symmetrisch aufgebaut sind und aus vier bis fünf chemischen Elementen bestehen. Diese Inhomogenität macht es schwierig, die mit Hilfe von inelastischer Neutronenstreuung (INS) aufgenommenen Spektren mit Photoemissionsspektren (ARPES) zu vergleichen, auch weil Oberflächeneffekte in bisherigen Versuchen die Ergebnisse stark beeinflussten.

Die Forscher um Dahm nutzten nun Fortschritte in beiden experimentellen Techniken bei Messungen an Yttrium-Barium-Kupfer-Oxiden (YBa2Cu3O6+x) aus, um in der Theorie die anziehende Wechselwirkung besser beschreiben zu können. Zur Beschreibung der Wechselwirkung über magnetische Eigenschaften, sogenannte Spin-Anregungen, zogen sie INS-Messungen heran. Die Kopplungsstärke der Elektronenpaare im Hochtemperatur-Supraleiter wurde aus einem Vergleich von INS- und ARPES-Daten bestimmt.

Fazit der Forscher ist, dass für die Bildung von Elektronenpaaren die magnetischen Wechselwirkungen wichtiger sind als Gitterschwingungen, und damit erzeugt eine ganz andere Ursache die Supraleitung als bei konventionellen Supraleitern.