Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gibt es eine bisher unbekannte Ursache der Supraleitung?

22.12.2003


Internationales Forscherteam findet Hinweise, dass an der Supraleitung in bestimmten Metallen noch ein zweiter bisher unbekannter Mechanismen beteiligt ist


Abb.: Hochdruckexperiment an Schwere Fermionen-Verbindungen: Um möglichst hohe Drücke zu erzielen (ca. 100.000 bar), ist die Druckkammer sehr klein. Zwei Stücke der zu untersuchenden Substanz (Ziffern 1, 3: CeCu2Si2) und ein Stück einer dünnen Bleifolie (2), mit dem der Druck in der Zelle bestimmt wird, sind für die Messung des elektrischen Widerstands durch Drähte verbunden. Das Stück mit der Ziffer 1 ist ungefähr so breit wie ein menschliches Haar.

Bild: Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe



Bisher ging man davon aus, dass Supraleitung in exotischen Metallverbindungen auf einer rein magnetischen Kopplung der Elektronen beruht. Doch jetzt haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Physik fester Stoffe in Dresden bei aufwändigen Hochdruckexperimenten an Einkristallen der Verbindung CeCu2Si2 wichtige Hinweise dafür gefunden, dass die Supraleitung auf zwei unterschiedlichen, rein elektronischen Kopplungsmechanismen beruhen könnte. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese Mechanismen nicht nur in den so genannten Schwere Fermionen-Verbindungen vorkommen, sondern auch der Schlüssel für das Verständnis der keramischen Hochtemperatursupraleiter sein könnten



Magnetismus und Supraleitung gehören auch heute noch zu den faszinierendsten Eigenschaften der Materie. In unserem von vielerlei Technik geprägten Alltag sind beide Phänomene in zahlreichen Anwendungen in der Medizin-, Computer- und Sensortechnik allgegenwärtig und - wegen ihres hohen technologischen Potenzials - auch unverzichtbar geworden. Bei ihrer Erforschung eröffnet sich den Wissenschaftlern eine extrem komplexe Welt, die von den Wechselwirkungen der Elektronen eines Festkörpers untereinander sowie mit den Atomrümpfen des Kristallgitters geprägt ist. Ein solch komplexes, in sich verwobenes System aus sehr vielen Teilchen mathematisch exakt zu beschreiben, ist bisher nicht möglich. Sollte es gelingen, würde es ungeahnte Möglichkeiten eröffnen, um Materialien mit gewünschten Eigenschaften gezielt herzustellen.

Auf dem Weg dahin ist die experimentelle Erforschung von immer neuen chemischen Verbindungen unverzichtbar. Der Wunsch, Materialien mit neuartigen Eigenschaften zu entdecken, fordert dabei immer stärker ein Disziplinen-übergreifendes Denken der Wissenschaftler. Große Fortschritte werden dabei oft erst dann erzielt, wenn Wissenschaftler, nur ihrer Intuition folgend, beharrlich versuchen, ihre Modellvorstellung durch Experimente zu bestätigen, auch wenn sie dabei im Widerspruch zu etablierten Denkweisen stehen. Ein Beispiel ist die Entdeckung der Supraleitung in der Schwere-Fermionen-Verbindung CeCu2Si2 durch Prof. Frank Steglich im Jahre 1979. Steglich, inzwischen Direktor am Max-Planck-Instituts für chemische Physik fester Stoffe in Dresden, wird für diese Entdeckung mit der Stern-Gerlach-Medaille 2004, dem bedeutendsten Wissenschaftspreis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, geehrt.

Verbindungen mit "Schweren Fermionen" enthalten Elemente aus der Gruppe der "Seltenen Erden" oder der "Aktiniden", die in metallischer Umgebung bei Zimmertemperatur lokale magnetische Momente aufweisen. Die Wechselwirkung von Leitungselektronen mit diesen lokalen Momenten führt dazu, dass die Bewegung der Elektronen (Fermionen) behindert wird, sie somit - bildhaft gesprochen - träge und damit schwer erscheinen. Die Zahl der bekannten Schwere Fermionen-Verbindungen mit ungewöhnlichen elektrischen und magnetischen Eigenschaften wächst beständig. Bis heute hat man fast zwanzig Verbindungen gefunden, die bei Temperaturen kleiner als 3 Grad Kelvin supraleitend werden. Diese Eigenschaft, den elektrischen Strom ohne "Energieverlust" zu tragen, entsteht durch die koordinierte Bewegung zweier Elektronen, welche ein so genanntes Cooper-Paar bilden.

In klassischen Supraleitern entsteht diese Koordination durch die elastische Kopplung der Elektronen an die Bewegung der Atome im Kristallgitter. Bei Schwere Fermionen-Supraleitern vermutet man hingegen, dass die Bewegung der "schweren Elektronen" durch ihre Kopplung an die Bewegung der magnetischen Momente koordiniert wird. Doch dieser Mechanismus scheint nicht nur der Supraleitung in Metallen mit schweren Fermionen zugrunde zu liegen. Viele Forscher glauben, dass in ihm auch der Schlüssel zum Verständnis der Hochtemperatursupraleiter zu finden ist, welche ein hohes technologisches Potenzial besitzen.

Die neuen Experimente der Dresdner Forscher unterstützen nun die Vorstellung, wonach Supraleitung durch einen rein elektronischen Kopplungsmechanismus verursacht wird. Historisch betrachtet favorisierte man dafür zuerst einen magnetischen Kopplungsmechanismus, da Untersuchungen an einer Reihe von Polykristallen, deren chemische Zusammensetzung man nur geringfügig variierte, zum Ergebnis führten, dass sich die Verbindung CeCu2Si2 nahe an einem magnetischen quantenkritischen Punkt befindet [J. Custers et al., Nature 424, 524 - 527, 31. Juli 2003]. Dabei lässt sich die Nähe zum quantenkritischen Punkt durch Variation externer Parameter, wie der chemischen Zusammensetzung, dem Druck oder dem Magnetfeld einstellen. Für Cer-haltige Verbindungen gilt dabei, dass ein großer Abstand zwischen den Cer-Atomen den magnetisch geordneten Zustand stabilisiert, während mit abnehmendem Atomabstand stets ein paramagnetischer Zustand erreicht werden kann. Experimente unter Hochdruck hatten bereits gezeigt, dass sich die Supraleitung - ausgehend von einem magnetisch geordneten Zustand - bei Annäherung an den quantenkritischen Punkt so stabilisiert, wie es unter Annahme des oben beschriebenen Modells erwartet wird. Unerklärt blieb jedoch, warum sich die Supraleitung im paramagnetischen Bereich nicht wieder abschwächt, sondern vielmehr in deutlicher Entfernung zum quantenkritischen Punkt zusätzlich stabilisierte.

Zum Verständnis dieses Phänomens gelang den Max-Planck-Forschern nun der Durchbruch: Sie stellten eine Reihe von Einkristallen der Verbindung CeCu2Si2 her, bei denen schrittweise die kleineren Atome von Silizium durch größere Germanium-Atome ersetzt wurden - CeCu2(Si1-xGex)2. Durch diese schrittweise Substitution war es möglich, den unkonventionellen supraleitenden Zustand aufgrund des Effekts der Paarbrechung durch Streuung an Störstellen kontrolliert zu schwächen. Mit wachsender Substitution nahm aber zwangsläufig auch der Abstand zwischen den Cer-Atomen zu. Diesen größer werdenden Atomabstand kompensierten die Wissenschaftler durch externen Druck. Sie waren auf diese Weise in der Lage, den Einfluss der Paarbrechung auf die Supraleitung unabhängig von der Entwicklung der Atomabstände zu studieren. Zu ihrer Überraschung stellten sie fest, dass der supraleitende Zustand für die Verbindung CeCu2Si2 nicht nur bei einem, sondern bei zwei ganz bestimmten Atomabständen jeweils besonders stabil ist. Dies führt dazu, dassin Proben mit entsprechend großer Anzahl von Germanium-Störstellen als Funktion des Drucks (Abstands) zwei voneinander getrennte Bereiche im Phasendiagramm des Supraleiters auftreten.

Diese Entdeckung ist für die Wissenschaftler besonders faszinierend, weil sie erstmals Hinweise liefert, dass nicht nur einer, sondern zwei verschiedene, rein elektronische Kopplungsmechanismen für die Supraleitung existieren. Danach beruht die Supraleitung bei großem Atomabständen darauf, dass die hochfrequenten Anteile der magnetischen Fluktuationen am magnetischen quantenkritischen Punkt die Elektronen zu Cooper-Paaren koppeln. Kommen sich jedoch die Atome immer näher, so kann sich ein bisher fest gebundenes Elektron allmählich befreien. Im vorliegenden Fall verläuft dieser Prozess der Ladungsänderung des Atoms nicht monoton, sondern diskontinuierlich. In der Umgebung dieser sprunghaften Veränderungen entstehen Ladungsfluktuationen welche offenbar auch Supraleitung erzeugen können.

In weiteren Experimenten wollen die Forscher jetzt dem zweiten Supraleitungsmechanismus auf den Grund gehen und dessen Existenz in weiteren Hochdruck-Experimenten an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle (ESRF) zweifelsfrei beweisen. Gleichzeitig werden die Forscher auch in anderen chemischen Verbindungen untersuchen, ob dort ähnliche Phänomene auftreten. Ziel der Forscher ist es letztlich, die Grundlagen dafür zu liefern, damit man eines Tages vorhersagen kann, aus welchen chemischen Elementen man bei welchen Temperaturen und welchen Atomabständen supraleitende Materialien maßschneidern kann.


Weitere Informationen erhalten Sie von:

Priv.-Doz. Dr. Günter Sparn
Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe, Dresden
Tel.: 0351 4646-2400
Fax: 0351 4646-2402
E-Mail: Sparn@cpfs.mpg.de


Dr. Huiqiu Yuan
Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe, Dresden
Tel.: 0351 4646-2424
Fax: 0351 4646-2402
E-Mail: Yuan@cpfs.mpg.de


Prof. Dr. Frank Steglich
Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe, Dresden
Tel.: 0351 4646-3900
Fax: 0351 4646-3902
E-Mail: Steglich@cpfs.mpg.de

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2003/pressemitteilung20031219/
http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2003/pressemitteilung20030728/index.html
http://www.cpfs.mpg.de/aktuelles/Pressetext-Stern-Gerlach1.pdf

Weitere Berichte zu: CeCu2Si2 Elektron Kopplungsmechanismus Supraleitung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie
06.12.2016 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Neue Perspektiven durch gespiegelte Systeme
05.12.2016 | 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: Poröse kristalline Materialien: TU Graz-Forscher zeigt Methode zum gezielten Wachstum

Mikroporöse Kristalle (MOFs) bergen große Potentiale für die funktionalen Materialien der Zukunft. Paolo Falcaro von der TU Graz et al zeigen in Nature Materials, wie man MOFs gezielt im großen Maßstab wachsen lässt.

„Metal-organic frameworks“ (MOFs) genannte poröse Kristalle bestehen aus metallischen Knotenpunkten mit organischen Molekülen als Verbindungselemente. Dank...

Im Focus: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher entwickeln Unterwasser-Observatorium

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

HIV: Spur führt ins Recycling-System der Zelle

07.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Mehrkernprozessoren für Mobilität und Industrie 4.0

07.12.2016 | Informationstechnologie