Struktur eines Hochtemperatursupraleiters

Materie unter extremen Bedingungen: Supraleiter unter Druck

Die Untersuchung einer neuen Klasse von Hochtemperatursupraleitern mit Synchrotronstrahlung bei hohen Drücken bestätigt die theoretischen Vorhersagen.

Eine schwarze Scheibe schwebt über einer größeren weißen Scheibe.
Supraleiter im Magnetfeld

Im Bereich neuer Materialien bilden Werkstoffe zur Steigerung der Energieeffizienz einen breit gefächerten Interessenschwerpunkt. Von besonderer Bedeutung sind Stoffe zum widerstandslosen Stromtransport, die Supraleiter. Seit kurzer Zeit stehen Verbindungen von Eisen mit Arsen im Mittelpunkt zahlreicher Untersuchungen, da bei einigen dieser strukturell vergleichsweise einfachen Verbindungen der Effekt der Supraleitung bei überraschend hohen Temperaturen beobachtet wird.

Das Verständnis der Supraleitung ist trotz intensiver und umfangreicher Studien in den letzten beiden Jahrzehnten unvollständig geblieben, so dass die zu Grunde liegenden Mechanismen immer noch Gegenstand der Forschung sind. Neue Materialklassen werden daher oft nicht zielgerichtet entwickelt, sondern entdeckt und anschließend optimiert.

Die neuen supraleitenden Materialien werden bei Temperaturen von bis zu etwa 50 Kelvin (minus 220 Grad Celsius) supraleitend und zählen damit zur Klasse der Hochtemperatursupraleiter, da für andere Supraleiter viel tiefere Temperaturen nötig sind.

Es ist ein Gitter aus orangen und roten Kugeln zu sehen. Die orangefarbenen Kugeln sind mit blauen Pfeilen versehen, deren Orientierung in einer Reihe alterniert.
Kristallstruktur eines Hochtemperatursupraleiters

Die Verbindungsklasse weist als gemeinsames Strukturmerkmal Schichten auf, die aus Eisen- und Arsenatomen gebildet werden. In einer der Strukturfamilien dieser Verbindungen werden unterhalb von etwa 200 Kelvin Änderungen der Symmetrie beobachtet, die mit der Ausbildung einer speziellen magnetischen Ordnung in den Kristallen verbunden ist. Dabei ordnen sich die auf den Eisenatomen lokalisierten magnetischen Momente antiparallel entlang der einen Achse im Kristall an, während sich die Momente in Richtung der um etwa ein Prozent verkürzten anderen Achse parallel anordnen. Die mikroskopische Ursache für diese besondere magnetische Ordnung wird derzeit noch intensiv diskutiert.

In einem Diagramm sind Temperatur (0-300 K) gegen Druck (0-6 GPa) aufgetragen. Die Datenpunkte liegen nahe einer abfallenden Kurve.
Temperatur versus Druck

Durch Kombination von Untersuchungen der Kristallstruktur und des elektrischen Widerstandes ist es gelungen, den Zusammenhang zwischen magnetischer Ordnung und atomarer Anordnung in einem ausgedehnten Bereich der interessanten Parameter experimentell nachzuweisen.

Das Einsetzen der magnetischen Ordnung wird durch eine ausgeprägte Änderung der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes angezeigt. Dieser Übergang verschiebt sich mit zunehmendem Druck zu tieferen Temperaturen. Die mit der magnetischen Ordnung einhergehende Änderung der Kristallsymmetrie kann durch eine Aufspaltung von Linien in den Röntgenbeugungsdiagrammen direkt beobachtet werden. In Übereinstimmung mit den Widerstandsmessungen verschiebt sich der strukturelle Phasenübergang bei zunehmendem Druck zu tieferen Temperaturen. Damit stehen die Ergebnisse der Experimente in guter Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage, dass mit zunehmendem Druck die Übergangstemperatur stark abnimmt.

Die untersuchte Klasse von supraleitenden Eisen-Arsen- Verbindungen unterscheidet sich dadurch grundsätzlich von den kupfer- und sauerstoffhaltigen Hochtemperatursupraleitern, die in den letzten zwanzig Jahren Gegenstand der Forschung waren. Während in diesen die magnetische Ordnungstemperatur mit dem Druck zunimmt, zeigen die neuen Materialien eine Abnahme und damit ähnliche Eigenschaften wie klassische supraleitende Verbindungen von Metallen. Die deutlich höheren Übergangstemperaturen zusammen mit einer erhöhten Stabilität in magnetischen Feldern machen die neuen Materialien zu aussichtsreichen Kandidaten für wissenschaftliche und technische Anwendungen im Bereich des widerstandslosen Stromtransports.

Durch Änderung der chemischen Zusammensetzung kann diese Anordnung der magnetischen Momente zu tieferen Temperaturen verschoben und schließlich vollständig unterdrückt werden. Mit dem Verschwinden der magnetischen Ordnung ist ein Einsetzen der Supraleitung verbunden, in dieser Substanzfamilie bei Temperaturen zwischen zwölf Kelvin und 38 Kelvin. Allerdings beeinflusst der Austausch von chemischen Elementen nicht nur den Abstand der Atome, sondern auch die elektronische Struktur der Verbindungen. Um den Effekt der Abstandsabhängigkeit in reiner Form untersuchen zu können, sind daher Messungen bei hohen Drücken und tiefen Temperaturen durchgeführt worden.

Veröffentlichung

„Effect of pressure on the magnetostructural transition in SrFe2As2“, M. Kumar, M. Nicklas, A. Jesche et al.; Physical Review B, DOI:10.1103/PhysRevB.78.184516, 2008.