Das Geheimnis der Supraleitfähigkeit
Die elektronischen Eigenschaften von Hochtemperatur-Supraleitern implizieren die Abwesenheit des Verhaltens herkömmlicher Fermi-Flüssigkeiten. Dieses Standard-Verhaltensmodell für Elektronen in Metallen wird am ehesten in Kupferoxiden (Cupraten) mit hoher Lochdichte erreicht. Löcher sind leere Stellen mit positiver Ladung, die im Kristallgitter von Halbleitern verbleiben, wenn bei steigender Temperatur Elektronen freigesetzt werden. Forscher des Projekts 'Unconventional superconductors: from synthesis to understanding' (USSU) haben jetzt die anomalen Eigenschaften mehrerer Cuprat-Verbindungen untersucht. Für deise Materialien existieren verschiedene Phasenzustände – isoliert, anomal metallisch, supraleitend und normal metallisch. Durch ein tieferes Verständnis der Entstehung und Koexistenz dieser Phasen könnte die ihnen zugrunde liegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten aufgeklärt werden. Dies war das Schlüsselmotiv für das USSU-Projektteam, das Phasendiagramm von Cupraten zu untersuchen. Eine der größten Herausforderungen war indes die Tatsache, dass nur wenige Verbindungen durch alle Phasen chemisch dotiert werden können. Eine weitere Schwierigkeit war die exakte Erforschung und Bewertung der 'Pseudolücke' auf der unterdotierten Seite der supraleitenden Phase. Die entscheidende Frage war, ob diese Phase eine Supraleitfähigkeit aufweist. Die USSU-Studie konzentrierte sich auf Loch-dotierte Cuprate, welche die höchste Übergangstemperatur aufweisen. Die wahrscheinlich bahnbrechendste Entdeckung der Forscher war, dass sich hochwertige Hg1201-Kristalle (HgBa2CuO4 + δ) ähnlich wie Fermi-Flüssigkeiten verhalten. Die Forscher schlussfolgerten, dass strukturell noch komplexere Cuprate wie Y123 (YBa2Cu3O7 - x), YBa2Cu4O8 (Y124) und Tl2Ba2CuO6 (Tl-2201) tatsächlich nodale Fermi-Flüssigkeiten sind. Nach Entfernen der Pseudolücke konnten durch Vergleiche ihrer anomalen bzw. Loch-dotierten Eigenschaften gemeinsame Merkmale identifiziert werden. Die Experimente des USSU-Teams bestätigten auch der Pseudolücke nicht zugeordnete Merkmale und zeigten, dass der Widerstand von der Temperatur abhängt. Die Ähnlichkeit des Widerstands von Fermi-Flüssigkeiten und supraleitenden Phasen im normalen Metallzustand wurde ebenfalls experimentell bestätigt. Mit diesen Versuchen wiesen die USSU-Forscher markante quantenmechanische Zusammenhänge zwischen physikalischen Eigenschaften, Temperatur und Lochdichte nach. Diese sind in normalen Metallen aufgrund der oberen Energiegrenze des Elektronensystems (Fermi-Energie) nicht zu beobachten. Eine drastische Verschiebung des Phasendiagramms ist auch bei mehreren anderen Cupraten zu erwarten. Andere Forschungsbereiche sowie Supraleiter-Anwendungen könnten ebenso von den Erkenntnissen des Projekts profitieren. Ein tieferes Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitfähigkeit bei Cupraten könnte die kristallografische Herstellung neuer Verbindungen ermöglichen. Diese könnten höhere Übergangstemperaturen aufweisen und für Energie-, Elektronik- und Kommunikationsanwendungen bei Raumtemperatur anwendbar sein.
Schlüsselbegriffe
Supraleiter, Elektrizität, Cuprate, Fermi-Flüssigkeit, Elektronen, Löcher, Kristall, Elektronik, Kommunikation
