Ladungswellen konkurrieren mit Supraleitung

Supraleiter leiten den elektrischen Strom erst ab einer bestimmten Temperatur verlustfrei. Selbst in sogenannten Hochtemperatursupraleitern liegt diese Sprungtemperatur noch bei minus 135 Grad Celsius. In zwei sich ergänzenden Arbeiten, die in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlicht wurden, haben internationale Forscherteams nun herausgefunden, warum die Supraleitung in diesem Materialtyp bei höheren Temperaturen zusammenbricht: Verantwortlich sind periodische Schwankungen in der Verteilung der elektrischen Ladung. Für eine Supraleitung bei praxistauglichen Temperaturen müssen Materialwissenschaftler also künftig nach Substanzen suchen, in denen diese Schwankungen nicht auftreten.

Links die Zeichnung einer Kristallstruktur, bestehend aus parallelen Ketten von Kupratmolekülen. Zwei verschiedene Farben deuten die Schwankungen in der Ladungsverteilung an. An die Struktur grenzt rechts eine Fläche mit drei senkrecht zueinander stehenden Kristallachsen an. Farbige Wellenlinien veranschaulichen, wie die Röntgenstrahlung relativ zu den Kristallachsen orientiert ist.
Röntgenstreuung an einem Hochtemperatursupraleiter

Die Forscher untersuchten keramische Kuprate – chemische Verbindungen, die ein Kupferion enthalten. „Wir haben in diesen Kupraten oberhalb der Temperaturen, bei denen sie supraleitend werden, Ladungsdichtewellen gefunden“, sagt Bernhard Keimer vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart. „Diese werden wie die Supraleitung von den starken Wechselwirkungen zwischen den Elektronen verursacht.“ Dass Elektronen stark miteinander wechselwirken, ist eine Voraussetzung, damit Supraleitung überhaupt entstehen kann – das wissen Physiker schon lange. Denn die Kräfte – nach dem derzeitigen Forschungsstand handelt es sich um magnetische Kräfte – schweißen je zwei Elektronen zu sogenannten Cooperpaaren zusammen, die sich widerstandfrei durch das Kristallgitter bewegen. Die starken Wechselwirkungen können noch andere elektronische Ordnungsphänomene hervorrufen: Magnetismus etwa oder eben die Ladungsdichtewellen.

„Diese verschiedenen Zustände konkurrieren in den Materialien miteinander“, erklärt Keimer. „Welcher sich durchsetzt, entscheidet sich oft nur durch eine Nasenlänge Vorsprung.“ Das heißt, ob ein Material supraleitend ist oder nicht, hängt empfindlich davon ab, aus welchen Elementen es besteht und welche Struktur es bildet. Zum besseren Verständnis der Supraleitung trägt die internationale Kollaboration nun mit Experimenten an zwei Materialien bei, die neben Kupferoxid als charakteristische Komponente Bismuth enthalten. Die Forscher durchleuchteten Proben beider Materialien mit resonanter Röntgenstrahlung am Synchrotron BESSY in Berlin und mit einem Rastertunnelmikroskop an der Princeton University. Eine der zwei Bismuth-Proben untersuchten die Physiker zudem mithilfe der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie. Diese Experimente enthüllten Details über die Ladungsverteilung im Inneren und an der Oberfläche der Materialien.

Mithilfe der sich ergänzenden Untersuchungen wiesen die Forscher für beide Proben nach, dass die Ladungswellen in verschiedenen bismuthhaltigen Kupraten auftreten, und zwar im gesamten Material und nicht etwa nur an der Oberfläche. „Da wir die Ladungsdichtewellen vorher schon an einem anderen Kupratsupraleiter gefunden haben, können wir davon ausgehen, dass sie in allen Kupratsupraleitern auftreten und die Supraleitung zerstören“, sagt Keimer. Dank der aktuellen Arbeiten bekommen die Physiker jedoch ein immer besseres Gefühl dafür, unter welchen Umständen Supraleitung auftritt. „Wir kommen also dem Ziel näher, diesen Zustand vorhersagen zu können und somit Materialien zu entwickeln, die schon bei hohen Temperaturen supraleitend werden“, so der Physiker.

In Zukunft wird es also darum gehen, die starken Wechselwirkungen der Elektronen exakt kontrollieren und verstehen zu können. Auf diese Weise können Physiker und Materialwissenschaftler systematisch nach Materialien suchen, die den elektrischen Strom auch bei Raumtemperatur ohne Verluste leiten – und damit möglicherweise einen wichtigen Beitrag für die künftige Energieversorgung leisten.