Prinzip der Supraleitung sichtbar machen

Naturwissenschaftler wollen verstehen, wie die Welt funktioniert. Deshalb sind Physiker nicht zufrieden, wenn sie den Stromfluss durch Hochtemperatursupraleiter erfolgreich erhöhen, ohne die Mechanismen dabei genau zu verstehen. Denn das Ergebnis ist zwar gut, aber warum das so ist, wissen sie noch nicht. Freek Massee vom Center for Emergent Superconductivity des Departments of Energy der USA und Kollegen haben jetzt ein Verfahren entwickelt, um die Wissenslücke zu schließen. Mit einem speziell entwickelten Mikroskop scannten sie die Oberfläche eines Supraleiters ab und erstellten so detaillierte Landkarten von Stromfluss und Kristallstruktur des Materials. In der Fachzeitschrift „Science Advances“ haben sie die Ergebnisse ihres Abbildungsverfahrens veröffentlicht.

Schematische Darstellung wie Teilchen auf eine Fläche gestrahlt werden, unten ist eine verschiedenfarbige Landkarte, darüber eine fast einfarbige.
Ionenbestrahlung von Supraleiter

In den Untersuchungen bestrahlten die Forscher einen eisenbasierten Hochtemperatursupraleiter mit energiereichen schweren Ionen. Dabei veränderten die Ionen die atomare Struktur des Materials, indem sie nanometergroße Furchen, sogenannte Defekte, in das bis dahin perfekt periodische Kristallgitter rissen. Diese punktförmigen oder länglichen Defekte können – in Abhängigkeit von ihrer Form – magnetische Wirbel festhalten, die sonst quer oder entgegengesetzt zu den Elektronen laufen und dabei den Stromfluss reduzieren. Dadurch dass die Forscher die Wirbel durch die Ionenbestrahlung verankert haben, erhöhten sie den möglichen Stromfluss im Leiter – und zwar ohne dass sich das Material aufheizt.

Supraleiter mit Ionen zu bestrahlen, ist eine etablierte Methode, um den maximal möglichen Stromfluss in dem Material zu erhöhen. Dieser ist ein Maß für die Qualität: Je mehr Strom fließen kann, desto besser ist der Supraleiter. Wie die Ionenbestrahlung sich aber genau auf den Stromfluss auswirkt und warum, war bislang unklar. Um diesen Effekt abzubilden, arbeitete das Forscherteam mit einem speziell angepassten Rastertunnelmikroskop. Dieses macht die Stromflüsse und magnetischen Wirbel in dem Leiter zusammen mit den Defekten im Kristallgitter sichtbar. Damit konnten Massee und seinen Kollegen eine Landkarte der magnetischen Wirbel und der Qualität der Supraleitung erstellen und diese mit der atomaren Struktur des Leitermaterials vergleichen.

Konventionelle Supraleiter können elektrische Ströme bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt verlustfrei transportieren. Theoretisch sind sie gut verstanden, technisch ist es immer noch aufwendig, die Materialien auf die benötigten Temperaturen von weniger als –250 Grad Celcius herunterzukühlen. Sogenannte unkonventionelle oder Hochtemperatursupraleiter leiten auch schon bei etwa hundert Grad höheren Temperaturen widerstandsfrei. Allerdings ist das Verständnis über ihre Physik bis heute lückenhaft.

Die Forscher wollen mit ihrem neuen Scanverfahren die Ära beenden, in der Forscher praktisch willkürlich mit Ionen auf Supraleiter schießen und darauf hoffen, dass ein positiver Effekt auftritt. Das Team um Massee sieht ihre Studie als Startpunkt, um strategischer an die Entwicklung von Hochtemperatursupraleitern heranzugehen: In Zukunft sollen Wissenschaftler vor der Materialbearbeitung wissen, bei welcher Temperatur welche Ionenbestrahlung sinnvoll ist, um einen bestimmten Strom zu transportieren.