Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine Lücke in der Supraleitung

22.02.2008
Stuttgarter Physiker entdecken eine Eigenschaft von Supraleitern, die sich mit der gängigen Theorie nicht erklären lässt

Das Problem gilt seit gut 50 Jahren als gelöst - offenbar aber nur weil es noch nicht ganz zu erkennen war: Schon 1957 erklärten John Bardeen, Leon N. Cooper und John R. Schrieffer, warum einfache Metalle unterhalb einer bestimmten Temperatur Strom verlustfrei leiten. Nun haben Physiker vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung noch einmal genauer untersucht, wie sich Elektronen in den Metallen Blei und Niob in diesem supraleitenden Zustand verhalten. Dabei haben sie ein bislang verborgenes Detail der Fermi-Fläche entdeckt, die die Energieverteilung der Elektronen beschreibt.


Links: In Metallen bewegen sich negativ geladene Elektronen durch ein Kristallgitter positiv geladener Ionen. Der elektrische Widerstand in normalen Metallen entsteht, weil die Elektronen die positiven Ionen zu sich hinziehen und dabei Energie verlieren. Rechts: Im supraleitenden Zustand wird ein zweites Elektron durch die positive Ladungswolke der Ionen angezogen, die sich um das erste Elektron herum versammeln. Dadurch bilden beide Elektronen ein Cooperpaar, das sich frei durch das Kristallgitter bewegen kann. Bild: Bernhard Keimer / MPI für Festkörperforschung

Wenn die Elektronen den supraleitenden Zustand annehmen, bildet sich in der Fermi-Fläche eine Lücke aus, das heißt die Energieverteilung ändert sich. Die Physiker fanden jetzt heraus, dass die Größe der Energielücke von der Gestalt der Fermi-Fläche abhängt. Bislang galten diese beiden Eigenschaften als unabhängig voneinander, und mit der seit 50 Jahren akzeptierten Theorie lässt sich deren innerer Zusammenhang auch nicht erklären. (Science advanced online publication, 22. Februar 2008)

Es gibt keine gesunden Menschen, sondern nur schlecht untersuchte - behaupten manche Ärzte. Vielleicht krankt auch manche physikalische Theorie unerkannt, solange sie sich nicht genau genug prüfen lässt. Bei der BCS-Theorie ist das offenbar der Fall. Sie verdankt ihren Namen den Initialen der drei Physiker Bardeen, Cooper und Schrieffer und beschreibt die konventionelle Supraleitung in Metallen. Demnach sparen ihre freien, Strom leitenden Elektronen unterhalb einer bestimmten, sehr niedrigen Temperatur Energie, wenn sie sich zu Cooper-Paaren zusammenschließen. Zusammengetrieben werden sie von den Schwingungen des Kristallgitters. Als Paare können sich durch das Metallgitter bewegen, ohne mit dessen Atomen zusammenzustoßen.

... mehr zu:
»Kohn-Anomalie »Supraleitung

Um die Bindung eines Cooper-Paares zu brechen, ist eine bestimmte Energie nötig. Physiker sprechen davon, dass die Elektronen eine energetische Lücke überspringen müssen. Diese Lücke tut sich erst bei der kritischen Temperatur auf, bei der ein Metall seinen Widerstand verliert. "Wir haben bei den Metallen Blei und Niob sehr schön gesehen, wie sich die Energielücken unterhalb der kritischen Temperatur öffnet", sagt Bernhard Keimer, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung und Leiter der Studie.

Gleichzeitig beobachteten die Physiker in den beiden Metallen ein Phänomen, das bislang als völlig unabhängig von der Supraleitung galt. Aus ihren Messergebnissen können sie nämlich auch Rückschlüsse ziehen, wie die Fermi-Fläche des Metalls im Detail aussieht. Dabei zeichnen sie eine Reliefkarte, in der Elektronen mit einem bestimmten Impuls oder einer bestimmten Geschwindigkeit eine Energie zugeordnet wird - Berge stehen für viele Elektronen, Täler für wenige. In dieser Karte fanden sie nun bislang unbekannte Hügel - die dort auch niemand erwartet hat.

Diese Hügel nennen Physiker Kohn-Anomalien. An diesen Stellen lassen sich Elektronen besonders leicht von schwingenden Atomen anstoßen, weil sie einen passenden Impuls tragen - in etwa so wie ein Kind beim Schaukeln die Beine auch im passenden Rhythmus bewegen muss, um Schwung zu gewinnen. Den Messergebnissen der Physiker zufolge wächst die Energielücke im supraleitenden Zustand nur so weit an, dass Elektronen mit genau diesen Impulsen oder Energien keine Cooperpaare bilden können. "Dass die Kohn-Anomalien mit den Energielücken zusammenfallen, kann kein Zufall sein, weil sie sowohl in Blei als auch in Niob zusammentreffen", erklärt Bernhard Keimer: "Ohne die Kohn-Anomalie würden die Metalle möglicherweise bei höheren Temperaturen supraleitend."

Bisher ließen sich weder die Auswirkungen der Energielücke noch die der Kohn-Anomalien auf die Gitterschwingungen messen. Gelungen ist das den Stuttgarter Physikern nun, weil sie auf besonders feinfühlige Weise, nämlich mit Hilfe der Spin-Echo-Neutronenstreuung, die Schwingungen der Metallatome messen können: Sie stoßen die Atome zunächst mit Neutronen an - ungeladenen Kernbausteine, die sie auf ihre Probe feuern. Diese Neutronen kann man sich als rotierende Kreisel vorstellen. Keimer und seine Mitarbeiter haben dafür gesorgt, dass die Achsen aller Neutronenkreisel parallel angeordnet sind und sie sich alle in die gleiche Richtung drehen - sie haben die Neutronen spinpolarisiert, wie es im Jargon der Physiker heißt.

Je nach dem, wie lange die angestoßenen Atome schwingen, ist die Ordnung der Spins am Ende der Messapparatur mehr oder weniger durcheinandergeraten. Völlig spinpolarisiert bleiben die Neutronen, wenn die angestoßenen Metallatome unendlich lange schwingen. Das tun sie aber nur, wenn sie nicht mit den Elektronen zusammenstoßen, die sich frei durch das Metall bewegen. Und das wiederum ist nur der Fall, wenn die Elektronen supraleitende Cooper-Paare bilden.

Die Kohn-Anomalien verraten sich durch das genaue Gegenteil: Sie dämpfen die Gitterschwingungen und bringen die Neutronenspins daher recht stark durcheinander. Von der Dauer der Gitterschwingungen schließen die Physiker auf die energetischen Verhältnisse in ihren Proben - und erhalten ein mehr als 1000-fach detaillierteres Bild als es die gewöhnliche Neutronenstreuung liefert.

"Diese besonders präzise Messmethode hat uns neue Erkenntnisse über Materialien geliefert, von denen wir dachten, dass wir sie durch und durch kennen", sagt Bernhard Keimer. Warum Kohn-Anomalien und Energielücken so unerwartet zusammenfallen, wissen die Physiker noch nicht. "Darüber können wir nur spekulieren", so Keimer. Möglicherweise tendieren die Elektronen beider Metalle dazu, periodische Ladungsdichte-Modulationen auszubilden. Dabei verteilen sich die Elektronen nach einem bestimmten Muster - ein Effekt, der mit der Supraleitung konkurriert, aber schon im Zusammenhang mit Kohn-Anomalien beobachtet wurde. "Sowohl in der Supraleitung als auch in den periodischen Ladungsdichte-Modulation nehmen die Elektronen geordnete Zustände ein, die möglicherweise miteinander wechselwirken", mutmaßt Bernhard Keimer. Um den Zusammenhang letztendlich zu erklären, müssen Physiker wohl die BCS-Theorie erweitern.

Originalveröffentlichung:

Pegor Aynajian, Thomas Keller, Lilia Boeri, Steven M. Shapiro, Klaus Habicht und Bernhard Keimer
Energy Gaps and Kohn Anomalies in Elemental Superconductors
Science advanced online publication, 22. Februar 2008

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Berichte zu: Kohn-Anomalie Supraleitung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Harmonien in der Optoelektronik
21.07.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Von photonischen Nanoantennen zu besseren Spielekonsolen
20.07.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten