Supraleiter auf atomarer Ebene untersucht

Keramiken aus Kupferoxid oder bestimmte Eisen-Arsen-Verbindungen sind sogenannte Hochtemperatursupraleiter: Sie müssen nicht ganz so stark gekühlt werden wie andere Stoffe, um in den supraleitenden Zustand überzugehen. Zwar existieren Hypothesen für den Mechanismus dahinter, welche Vorgänge aber genau ablaufen, ist bislang noch weitgehend unklar. Mit einer neuen Methode konnten Forscher nun erstmals die magnetische Struktur eines solchen stark korrelierten Elektronensystems auf atomarer Ebene abbilden, wie sie in der Zeitschrift „Science“ berichten. Auf diese Weise ließen sich wichtige Erkenntnisse über die Funktionsweise von eisenbasierten Supraleitern und die Rolle des Magnetismus gewinnen.

Streifenmuster, Ausschnitt zeigt Kreise mit Pfeilen, die abwechselnd nach oben und unten zeigen
Magnetische Ordnung von Eisentellurid

Eine zentrale Frage betrifft das Verhältnis zwischen magnetischen und supraleitenden Eigenschaften in solchen Materialen: Können beide Effekte an ein und derselben Stelle auftreten oder schließen sie sich gegenseitig aus? Physiker halten es für möglich, dass die magnetischen Eigenschaften der Stoffe sogar Ursache für ihre Supraleitfähigkeit sind. Um die magnetische Struktur von Eisentellurid – dem Hauptbestandteil des supraleitenden Eisentelluridselenids – aufzuklären, setzten die Wissenschaftler um Mostafa Enayat vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart nun ein sogenanntes spin-polarisiertes Rastertunnelmikroskop ein. Hiermit lässt sich die Orientierung der Elektronenspins und der damit verknüpften magnetischen Momente von einzelnen Atomen abbilden.

Im Fall von Eisentellurid sind auf der Mikroskopaufnahme deutlich schmale Längsstreifen zu erkennen, berichten die Forscher, die aus der antiferromagnetischen Ordnung im Eisentellurid resultieren. Innerhalb der Streifen sind alle magnetischen Momente gleich orientiert, auf dem daneben liegenden Streifen entgegengesetzt. Einen interessanten Fund machten die Forscher bei der Temperatur, die nötig ist, damit sich die antiferromagnetische Struktur ausbildet. Im Experiment lag diese bei ungefähr minus 227 Grad Celsius und damit rund zwanzig Grad unter der normalerweise notwendigen Temperatur. Der Grund dafür liegt darin, dass die Forscher nur die Oberfläche des Eisentellurids betrachteten. Anders als etwa in der Mitte des Kristalls fallen hier die Wechselwirkungen mit einer darüber liegenden Atomschicht weg. Folglich können sich die magnetischen Momente in ihrer Ordnung nicht so gut gegenseitig stabilisieren und die magnetische Struktur bildet sich erst bei einer niedrigeren Temperatur. Außerdem stellte die Forschungsgruppe fest, dass die magnetische Ordnung bei einem höheren Anteil von Eisenatomen komplexer wird: Die Längsstreifen lösen sich teilweise auf und werden von Querstreifen überlagert. Anscheinend bringen die überschüssigen Atome und ihre magnetischen Momente die magnetische und kristalline Ordnung durcheinander

Bisher verwendeten Wissenschaftler eine andere Methode, die Neutronenstreuung, um die magnetische Ordnung in supraleitenden Stoffen zu untersuchen. Allerdings lieferte dieses Verfahren nur räumlich gemittelte Einblicke in die magnetische Struktur und konnte keine Genauigkeit auf atomarer Skala erreichen. Die Forscher um Enayat hoffen jetzt, ihre Methode auch auf Materialien, die sowohl supraleitende als auch magnetische Eigenschaften zeigen, anwenden zu können. Denn das Verständnis der Eigenschaften solcher Stoffe wäre der erste Schritt zu effizienterer und irgendwann vielleicht sogar alltagstauglicher Supraleitertechnologie – ob für besonders leistungsfähige Bildgebungsverfahren in der Medizin, für die Energieversorgung oder für Magnetschwebebahnen in der Verkehrstechnik.