Supraleitung: Elektronen-Paare überwinden magnetische Barriere

Forscher weisen Triplett-Supraleitung in ferromagnetischen Materialien nach und machen damit neue, stromsparende Detektoren möglich

Tunnelelement
Tunnelelement

Bochum/Kiel/Santa Barbara (USA) - Werden Metalle auf eine bestimmte Temperatur runtergekühlt, können Elektronen widerstandslos fließen, das Material wird dann zu einem elektrischen Supraleiter. Sobald die Ladungsträger allerdings mit einem Ferromagneten in Kontakt kommen, verschwindet der supraleitende Effekt. Ein Forscherteam der Universitäten Bochum und Kiel sowie der University of California in Santa Barbara wiesen jetzt zum ersten Mal einen Zustand nach, in dem die Elektronen auch Ferromagneten ohne Energieverlust durchqueren können. Gleichzeitig schafften sie es, mehr Elektronen in den gewünschten Zustand zu überführen.

Elektronen in einem Supraleiter ordnen sich zu sogenannten Cooper-Paaren an. Ein Elektron hat dabei den Drehimpuls oder "Spin" 1/2 und das andere den Spin von -1/2, sodass der Gesamtdrehimpuls des Paares null ist. Die Paare befinden sich dann im Singulett-Zustand. Passieren die Singulett-Cooper-Paare jedoch einen Ferromagneten, werden sie aufgebrochen und der supraleitende Effekt verschwindet.

Wissenschaftler hatten theoretisch vorausgesagt, dass es für Cooper-Paare einen zweiten Zustand gibt, der in Ferromagneten wesentlich stabiler ist. Hier sind die Spins der Elektronen nicht entgegengesetzt, sondern verlaufen parallel und haben einen Gesamtdrehimpuls von 1. Da der Drehimpuls drei Orientierungen im Raum haben kann, spricht man vom Triplett-Zustand. "Offenbar gibt es immer einen gewissen, kleinen Anteil von Cooper-Paaren, die im Triplett-Zustand sind, aber schnell wieder in den Singulett-Zustand übergehen", erklärt Kurt Westerholt von der Ruhr Universität Bochum. "Die Herausforderung war, diese Triplett-Cooper-Paare experimentell nachzuweisen."

Die Forscher schafften den Beweis, indem sie die Ladungen durch eine ferromagnetische Barriere von zehn Nanometern Dicke leiteten. Gebildet wurde die Barriere von einer supraleitenden Schicht aus dem Metall Niob, einem Isolator und einer zweiten Niob-Schicht. Ist die Barriere nicht mehr als zwei Nanometer dick, können alle Cooper-Paare mit Hilfe eines quantenmechanischen Effekts hindurch "tunneln". Doch bei zehn Nanometern zerbrechen zumindest die Paare im Singulett-Zustand. Um die ihre Barriere ausschließlich für Elektronen im Triplett-Zustand passierbar zu machen, verwendeten die Forscher für den Isolator eine spezielle Legierung aus den Elementen Kupfer, Mangan, Aluminium und Sauerstoff. Die Ergebnisse zeigten, dass der Ladungsstrom von tunnelnden Elektronen damit sogar stärker war als bei gewöhnlichen dünneren Isolatoren. Offenbar bewirkte die Legierung, dass sich einige der Singulett-Cooper-Paare in Triplett-Cooper-Paare umwandeln.

Solche Tunnelbarierren werden in der Praxis für Detektoren genutzt, welche die schwachen Magnetfelder von Hirnströmen nachweisen können. Mit der neuen Legierung ließen sich die supraleitenden Eigenschaften der Bauelemente verbessern und damit Energie einsparen.