Hochtemperatursupraleitung weiter entschlüsselt

Ein Material, das Strom bei Raumtemperatur verlustfrei leitet, könnte die Energieversorgung revolutionieren. Bisher verlieren solche Supraleiter ihren elektrischen Widerstand allerdings nur bei Temperaturen weit unterhalb des Gefrierpunkts – selbst sogenannte Hochtemperatursupraleiter. Physiker um Yvo Drees vom Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe in Dresden haben nun die mikroskopische Ladungsverteilung in einem Material mit ähnlichen magnetischen Eigenschaften wie ein Hochtemperatursupraleiter untersucht und nanometergroße ladungsfreie Zonen entdeckt. Diese Erkenntnis helfe dabei, so das Team in der Zeitschrift „Nature Communications“, die Hochtemperatursupraleitung besser zu verstehen.

Helle und dunkle Bereiche, darüber die Elektronenspins, dargstellt als kleine Pfeile
Ladungsverteilung im Kobaltoxidkristall

Die magnetischen Eigenschaften eines Materials werden von der Ordnung der Elektronenspins darin bestimmt. Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft der Elektronen, die man sich in diesem Zusammenhang wie winzige Kompassnadeln vorstellen kann. Je nachdem, wie benachbarte Spins relativ zueinander ausgerichtet sind – parallel oder antiparallel – besitzt das System einen unterschiedlichen Energiegehalt. Bewegt sich einer der Spins aus seiner Gleichgewichtslage heraus, wirkt sich das auch auf die umgebenden Spins aus, sodass sich die Störung letztlich wellenartig in der gesamten Anordnung ausbreitet. Solche magnetischen Anregungen haben Drees und seine Kollegen nun mithilfe der Neutronenstreuung in einem hochreinen Kobaltoxidkristall bei unterschiedlichen Anregungsenergien untersucht. Denn das Spektrum der magnetischen Anregungen in diesem Material gleicht dem eines Hochtemperatursupraleiters.

Zusätzlich setzten die Physiker auch Röntgenbeugung ein, um die Verteilung der elektrischen Ladung im Kobaltoxidkristall auf weniger als einen Nanometer genau zu bestimmen. Das Ergebnis überraschte das Physikerteam. „Der Kristall ist aus einzelnen Schichten aufgebaut, innerhalb derer wir bislang ein Streifenmuster der elektrischen Ladung erwarteten“, erklärt Koautor Alexander Komarek, ebenfalls vom Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe. „Doch stattdessen fanden wir eine fraktale Struktur, bestehend aus getrennten Bereichen von an Ladungsträgern verarmten Inseln sowie von ladungsträgerreichen Bereichen.“ Die Durchmesser dieser unregelmäßig verteilten ladungsfreien Inseln betragen im Durchschnitt lediglich einen Nanometer – erstrecken sich damit über nur wenige Atome.

Die nun entdeckten Ladungszonen können die typische Form des gemessenen magnetischen Spektrums erklären, berichten die Forscher. Der obere, energiereichere Teil spiegelt die magnetischen Anregungen der ladungsfreien Inseln wieder, der untere vor allem die der ladungsreichen Bereiche dazwischen. Denn die magnetische Kupplung zwischen den Atomen sind in den ladungsfreien Gebieten stärker, weshalb dort mehr Energie für die magnetischen Anregungen nötig ist. „Neben den beiden experimentellen Methoden haben wir auch detaillierte Computersimulationen vorgenommen, welche die Messergebnisse untermauern“, erläutert Komarek.

Bisher gingen Physiker davon aus, dass beide Teile des Spektrums von der gesamten Struktur gleichermaßen herrühren. Weltweit versuchen Wissenschaftler dieses sogenannte Stundenglas-Spektrum zu verstehen, da es eine universelle Eigenschaft aller Hochtemperatursupraleiter darstellt. Es könnte damit den Schlüssel zum Verständnis dieser Form von Supraleitung bereithalten – und damit vielleicht einen Weg, um gezielt einen Raumtemperatursupraleiter zu entwickeln.