„Wir sehen einen starken Anstieg“

Supraleiter ermöglichen einen nahezu widerstandslosen und damit hocheffizienten Stromtransport. Sie stellen damit jedes andere stromleitende Material in den Schatten – wenn auch bislang nur bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt. Das Forscherinteresse an den ungewöhnlichen Eigenschaften der Supraleiter ist groß, auch weil bislang noch keine Theorie das Phänomen der unkonventionellen Supraleitung zufriedenstellend beschreiben kann: Warum und unter welchen Bedingungen ein bestimmtes Material supraleitend wird, lässt sich bislang nicht vorhersagen. Wissenschaftler haben nun den Supraleiter Strontiumruthenat unter Druck gesetzt und beschreiben im Fachmagazin „Science“ ihre überraschenden Ergebnisse. Welt der Physik sprach mit dem beteiligten Wissenschaftler Alexander Steppke vom Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe in Dresden.

Porträtfoto des Wissenschaftlers im Labor
Alexander Steppke vom Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe

Welt der Physik: Wie funktioniert ein Supraleiter?

Alexander Steppke: In einem normalen Metall können sich die Leitungselektronen quasi frei bewegen, werden aber an Defekten oder anderen Elektronen gestreut. Das erzeugt letztendlich den elektrischen Widerstand. Selbst bei hochreinen Materialien, wie zum Beispiel Kupfer, streuen die Elektronen untereinander und an Schwingungen des Kristallgitters. In einem Supraleiter hingegen können sich die Elektronen auf eine ganz bestimmte Art und Weise anordnen, sie sind also nicht mehr zufällig verteilt. Eine dieser Möglichkeiten ist, Paare zu bilden – die sogenannten Cooper-Paare. Die Eigenschaften dieser Cooper-Paare sind ganz anders, was die Streuung angeht. Ein Cooper-Paar darf man sich nicht so vorstellen, dass zwei Elektronen wirklich Händchen halten, sondern dass vielmehr viele Elektronen miteinander Händchen halten und aneinander gekoppelt sind. Damit ein Elektron gestreut wird, müsste man nicht nur ein einzelnes Cooper-Paar aufbrechen, sondern viele Cooper-Paare im Material gleichzeitig, und das ist extrem unwahrscheinlich. Deswegen findet in einem Supraleiter also gar keine Streuung mehr statt und er kann den Strom verlustfrei transportieren.

In Ihren Experimenten haben Sie einen Supraleiter namens Strontiumruthenat untersucht. Warum gerade dieses Material?

Das Material ist sehr interessant, weil unter Wissenschaftlern debattiert wird, ob es sich hier um einen Supraleiter mit einer ungeraden Parität handelt. Das würde bedeuten, dass die Spins der zwei Elektronen eines Cooper-Paares parallel zueinander ausgerichtet sind. In dieser Klasse von Supraleitern kennen wir bislang nur sehr wenige Materialien, denn üblicherweise haben die meisten Supraleiter eine gerade Parität. Die Spins der Elektronen in den Cooper-Paaren sind also antiparallel zueinander ausgerichtet. Es gibt einige Experimente, die diese Theorie der ungeraden Parität für Strontiumruthenat unterstützen, aber auch andere Experimente, die damit eher schwer zu vereinbaren sind. Ein Vorschlag lautet allerdings, dass sich ein solcher Supraleiter unter uniaxialem Druck, also Druck entlang einer einzigen Achse, in einer ganz bestimmten Art und Weise verhalten soll. Das war der Startpunkt unserer Untersuchungen.

Um was für ein Material handelt es sich bei Strontiumruthenat?

Strontiumruthenat ist im Idealfall ein schwarzes Material, das erst 1994 als Supraleiter entdeckt wurde. Mittlerweile ist es möglich, es in sehr hoher Qualität herzustellen. Das ist auch nötig, denn nur, wenn das Material sehr rein ist, tritt überhaupt Supraleitung auf – im Idealfall bei Temperaturen von 1,5 Kelvin, also bei 1,5 Grad Celsius über dem absoluten Nullpunkt. Das ist die sogenannte Sprungtemperatur, bei der ein Material supraleitend wird.

Änderten sich die Eigenschaften des Supraleiters, als Sie entlang einer Achse Druck ausübten?

Die elektronische Struktur des Materials, die durch die Energieverteilung der Elektronen bestimmt wird, ist relativ zweidimensional. Indem wir Druck anlegen, wollen wir letztendlich diese Struktur verändern. Es kommt zu einem Übergang, der einer relativ starken Änderung der elektronischen Struktur entspricht. Wir haben gehofft, dass durch diese starke Änderung der elektronischen Struktur auch die Supraleitung folgen wird.

Wie kann man sich diese elektronische Struktur bildlich vorstellen?

Experimenteller Aufbau, um Druck auf einen Supraleiter auszuüben
Experimenteller Aufbau, um Druck auf einen Supraleiter auszuüben

Die elektronische Struktur in Metallen wird mithilfe von Fermiflächen beschrieben. Das ist letztendlich eine mathematische Konstruktion, die die Energiezustände der Elektronen im Metall beschreibt. In unserem Material sehen diese Fermiflächen im Grundzustand sehr symmetrisch aus – eine ist fast kreisförmig. Wenn wir nun Druck ausüben, kann man sich das so vorstellen, als wenn man einen Ballon nimmt und den so drückt, dass er in einen Kasten passt und dabei die zwei Seiten des Kastens berührt. Genau dieses Berühren der Seiten entspricht einer sogenannten topologischen Änderung, weil ich von einem Kreis zu einer verbundenen Fläche gehe. Es ist ein Übergang von einem Zustand in einen anderen.

Wirkt sich dieser Übergang auch auf die Sprungtemperatur aus?

Ursprünglich wurde erwartet, dass es einfach einen linearen Anstieg in der Übergangstemperatur gibt, also dass die Sprungtemperatur zumindest in einem kleinen Bereich ansteigt. Wir haben zwar tatsächlich gesehen, dass es kleine Änderungen gibt, wenn man geringen Druck ausübt. Aber dann sehen wir plötzlich wirklich einen starken Anstieg. Letztendlich ist die Sprungtemperatur, bei der das Material supraleitend wird, mehr als verdoppelt: Sie steigt von 1,5 Kelvin auf 3,5 Kelvin an. Wenn wir dann weiter drücken, geht sie auch wieder runter. Neue Rechnungen dazu sagen genau für den Druck, den wir anlegen, so einen topologischen Übergang voraus.

Was sind die nächsten Schritte auf diesem Forschungsgebiet?

Bislang hat noch niemand beobachtet, dass es zu so einem Übergang kommt, wenn man Druck ausübt – dass man also einen supraleitenden Zustand alleine durch Druck in einen anderen supraleitenden Zustand treiben kann. Zudem können wir auch bislang keine Aussagen darüber machen, zu welcher Klasse von Supraleitern Strontiumruthenat gehört, ob es also ein Supraleiter gerader oder ungerader Parität ist. Aber unsere Experimente deuten darauf hin, dass sich das Material unter Druck wie ein Supraleiter mit gerader Parität verhält. Sollte sich das bestätigen, muss man sich alle anderen Experimente, die auf eine ungerade Parität hinweisen, noch einmal angucken. Wir selbst wollen demnächst bei Null anfangen und dann die ganze Druckskala abdecken, denn bislang können wir nur Aussagen bei hohem Druck treffen. Irgendwo auf dieser Skala könnte sich der Charakter des Supraleiters dramatisch ändern, von ungerader zu gerader Parität, und wir wollen herausfinden, wo das stattfindet. Natürlich sind wir auch daran interessiert, andere Materialien mit dieser Methode zu untersuchen.