Phänomen bei Supraleitern: Druck hat ähnliche Wirkung wie Dotierung

Bei einer neunen Klasse von Supraleitern ist ein interessantes Phänomen aufgetreten: Druck hat auf die neuen supraleitenden Materialien eine ähnliche Wirkung wie Dotierung.

Frankfurt - Supraleiter sind Stoffe, die ganz ohne elektrischen Widerstand Strom leiten können. Einen Supraleiter bei Raumtemperatur zu erhalten ist dabei so etwas wie der heilige Gral der Festkörperphysik.

Eine Gruppe theoretischer Physiker der Goethe-Universität Frankfurt unter der Leitung von Maria Roser Valenti ist bei der Erforschung einer bestimmten Klasse von Supraleitern auf ein interessantes Phänomen gestoßen: "Wenn wir das Material unter Druck setzen, hat das ähnliche Effekte, wie wenn wir es mit Fremdatomen dotieren".

Dotierung ist ein in der Halbleitertechnik üblicher Trick, um zusätzliche Ladungsträger in das Material zu schleusen und damit seine Leitfähigkeit zu erhöhen. Bei den bisherigen Supraleitern hat Dotierung eine dem sehr ähnliche Funktion.

Bei der neuen Klasse von Supraleitern (Eisen-Arsen-Legierungen kombiniert mit Barium, Kalium oder Samarium und Sauerstoff) scheint jedoch ein anderer Effekt der Dotierung eine große Rolle zu spielen: Fremdatome verändern die Struktur des Materials: die benachbarten Eisen-Atome rücken näher zusammen, dadurch werden die Tetraeder, die sich mit den Arsen-Atomen bilden, besonders regelmäßig.

Diese beiden Veränderungen wirken sich unmittelbar auf die im Metall fließenden Elektronen aus: Es wird ein instabiler Zustand beobachtet – "ähnlich dem einer Kugel auf einer Kegelspitze", so Roser Valenti. Um aus dieser Instabilität wieder in einen stabilen Zustand zu gelangen, "können die Elektronen zwischen zwei kollektiven Zuständen wählen: der eine ist magnetisch, der andere supraleitend". Dies könnte ein wichtiger Schritt zur Erklärung der Supraleitung in den Eisen-Arsen-Legierungen sein.

Der neue Supraleiter-Typ hat im Gegensatz zu den bisherigen, die aufgrund ihrer keramischen Sprödigkeit schwer zu verarbeiten sind, einen großen Vorteil: Man kann man sie zu Drähten ziehen. Sie erfüllen damit eine wichtige Voraussetzung für den breiten technischen Einsatz.

Supraleitung ist die Eigenschaft bestimmter Materialien verlustfrei zu leiten. Durch supraleitende Drähte können sehr hohe elektrische Ströme fließen, ohne dass sie warm werden, etwa 10 000-mal höhere Ströme als durch einen Kupferdraht des gleichen Querschnitts. Supraleitung tritt in allen bisher bekannten Materialien erst bei sehr tiefen Temperaturen auf. Die Temperatur, bei der die Elektronen reibungslos fließen können, wird "Sprungtemperatur" genannt. Klassische Supraleiter, wie sie z.B. für die Magneten des CERN verwendet werden, sind erst nahe dem absoluten Nullpunkt, also bei -273 Grad Celsius oder 0 Kelvin, supraleitend. Sie benötigen deshalb eine teure Kühlung mit flüssigen Helium. Bei keramischen Hochtemperatur-Supraleitern mit einer Sprungtemperatur zwischen 90 und 130 Kelvin, reicht dagegen schon eine Kühlung mit vergleichsweise günstigem flüssigem Stickstoff aus. Die Sprungtemperatur der neuen Supraleiter liegt dazwischen bei 26 bis 55 Kelvin.

Die Untersuchung der Dotierung ist ein wichtiger Schritt zum genauen Verständnis des Supraleitungs-Mechanismus, eine Voraussetzung später einmal vielleicht ganz gezielt Supraleiter mit höherer Temperatur erzeugen zu können.