Supraleitung: Torus aus Elektronen

Erstmals nachgewiesener toroidale Strom im Festkörper kann helfen, die Hochtemperatursupraleitung zu verstehen

Torus
Torus

Villigen (Schweiz) - Bei Hochtemperatursupraleitern verschwindet schon bei relativ hohen Temperaturen der elektrische Widerstand völlig. Welche Vorgänge dabei ablaufen, ist bis heute kaum verstanden. Am Paul Scherrer Institut haben Forscher nun einen Hinweis auf die Erklärung dieses Phänomens gefunden: Zum ersten Mal haben sie toroidale Ströme innerhalb eines Festkörpers nachweisen können. Dabei fließen die Elektronen entlang der Meridiane eines Donut-förmigen Gebildes, eines Torus. Das Besondere an der torusförmigen Elektronenwolke im Gegensatz zu den sonst beobachteten Elektronenorbitalen ist ihre Symmetrie, die magnetische und elektrische Eigenschaften vereint. Die Forscher versprechen sich nun, das Verhalten von Hochtemperatursupraleitern mittels dieser Ströme zu erklären. 

Grundlage vieler Hochtemperatursupraleiter bildet das Kupferoxid CuO. Dabei sind die Kupfer- und Sauerstoffatome in Schichten angeordnet und bilden das Grundgerüst der supraleitenden Kristallstruktur. Durch Streuversuche von polarisiertem Synchrotronlicht an diesem Material konnten die Forscher je nach Änderung der Polarisation des Strahls auf Eigenschaften der Elektronenwolke schließen. Das Experiment zeigte, dass sich die Elektronen entlang der Meridiane eines Torus bewegen. Ein solcher Stroms besitzt Symmetrie-Eigenschaften, die sich deutlich von anderen Formen des Elektronenflusses in Festkörpern unterscheiden. 

Die Symmetrie-Eigenschaften der toroidalen Ströme deuten auf einen möglichen Zusammenhang zu so genannten Pseudogap-Phasen hin. Dies sind ungewöhnliche Materiezustände, die in manchen Hochtemperatursupraleitern oberhalb ihrer kritischen Temperatur vorkommen. Die Pseudogap-Phasen könnten den Forschern Hinweise darauf geben, wie der verwandte supraleitenden Zustand entsteht. Durch die Entdeckung der toroidalen Ströme in Kupferoxid erwarten sie nun, solche Effekte in anderen Materialien zu finden und somit dem Verständnis des supraleitenden Zustandes einen Schritt näher zu kommen.