Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

An den Grenzen der Supraleitung

19.11.2007
Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam hat eine neue Möglichkeit gefunden, um Supraleitung an Grenzflächen gezielt zu beeinflussen.

Vielleicht muss die Halbleiter-Industrie in einigen Jahren ihren Namen ändern. Denn was Silizium, Germanium oder Galliumarsenid heute in Chips leisten, können Supraleiter möglicherweise viel schneller und effizienter - wenn sie denn einmal auch bei der durchschnittlichen Temperatur eines Büros Strom widerstandslos leiten. Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart haben jetzt erste Schritte unternommen, Supraleiter in diese Richtung zu trimmen.


Grenzgänge an einem Supraleiter: Max-Planck-Forscher haben die Trennfläche zwischen einem supraleitenden Kupferoxid (oben) und einem ferromagnetischen Manganoxid (unten) untersucht. Wie die Atome dort Röntgenstrahlung absorbieren, gibt ihnen Aufschluss über die Elektronendichte, deren mögliche räumliche Verteilungen links zu sehen sind. Bild: Science

Sie haben die elektronische Struktur eines Materials untersucht, in dem sich Schichten eines Hochtemperatursupraleiters und eines Manganoxids abwechseln. Dabei haben sie festgestellt, dass die Atome der beiden Stoffe starke chemische Bindungen über die Schichtgrenzen hinweg bilden. Diese Bande waren nicht nur bislang unbekannt, sie haben auch starken Einfluss auf die Supraleitung. Möglicherweise lassen sich die Bindungen künftig so formen, dass sie Supraleitung bei höheren Temperaturen als bislang erlauben. (Science, 16. November 2007)

Mikroelektronik beruht auf Grenzübertritten von Elektronen - in einem Transistor wandern sie zwischen Schichten verschiedener Halbleiter hin und her, wenn eine winzige Spannung ihnen einen kleinen Schubs gibt. Physiker sprechen dann davon, dass eine externe Spannung die Leitfähigkeit erhöht. Ließe sich der elektrische Widerstand an Materialgrenzen auf ähnliche Weise und bei Raumtemperatur gänzlich ausschalten, könnte Elektronik schneller und sparsamer arbeiten. Doch zu diesem Zweck müssen Physiker die elektronischen Prozesse an diesen Grenzflächen erst einmal besser verstehen.

Die Wissenschaftler vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung haben dazu nun einen Beitrag geleistet: Sie haben Sandwich untersucht, in dem sich Schichten des Hochtemperatursupraleiter Yttriumbariumkupferoxid, kurz YBCO, und eines ferromagnetischen Manganoxids, das also ähnliche magnetische Eigenschaften wie Eisen hat, übereinander stapeln - und zwar mit sehr scharfen Grenzen zwischen den beiden Materialien. An diesen Grenzen kommt es jedoch zu chemischen Übergriffen. Wie die Physiker festgestellt haben, knüpfen die Atome der beiden Materialien nämlich kovalente Bindungen zueinander, in denen - vereinfacht gesprochen - Elektronenpaare wie ein chemischer Kitt wirken.

Die grenzübergreifenden Bindungen waren Physikern zwar noch unbekannt, richtig überrascht haben die Erkenntnisse die Wissenschaftler aber nicht: "Wenn man es sich genau überlegt, hätte man damit rechnen können", sagt Bernhard Keimer, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung und Leiter der Forschergruppe: "Bislang hat einfach keiner die elektronische Struktur an den Grenzflächen untersucht."

Über die chemischen Bande beeinflusst das Manganoxid die elektronischen Eigenschaften des Supraleiters. "In unserem Fall wird die Supraleitung geschwächt", sagt Keimer: "Da wir den Mechanismus jetzt aber verstehen, können wir einen Hochtemperatursupraleiter vielleicht auch mit einem Material kombinieren, das schon bei höheren Temperaturen eine widerstandslose Leitung ermöglicht." Wenn Physiker nämlich von einem Hochtemperatursupraleiter sprechen, ist das ein bisschen irreführend: Materialien wie YBCO verlieren zwar bei höheren Temperaturen den Widerstand als die ersten bekannten Supraleiter, aber selbst YBCO leitet Strom erst bei minus 180 Grad Celsius verlustfrei.

Im Fall der Schichtstrukturen, die die Stuttgarter Forscher untersuchten, senken die ferromagnetischen Eigenschaften des Manganoxids die Temperatur, unterhalb derer YBCO seinen Widerstand aufgibt, sogar weiter ab. Supraleitung und Magnetismus, wie man ihn vom Eisen kennt, sind nämlich zwei Eigenschaften, die sich nicht vertragen. Diese Art von Magnetismus tritt auf, wenn sich die Elektronen, die sich auch als winzige Stabmagneten betrachten lassen, alle parallel gruppieren. Supraleitung tritt genau im umgekehrten Fall auf - wenn sich die Elektronen nämlich zu Paaren, den Cooperpaaren zusammenschließen. Dazu müssen sich ihre Magnetmomente antiparallel ausrichten; ihre magnetischen Pole zeigen dann in entgegengesetzte Richtungen.

"An der Grenzfläche unserer Heterostrukturen ordnen sich die Elektronen neu an, weil sich die kovalenten Bindungen bilden", erklärt Bernhard Keimer. Vereinfacht gesprochen übertragen diese Bindungen den Ferromagnetismus über die Grenzfläche hinweg. Daher richten sich die Magnetmomente der Elektronen in der YBCO-Schicht parallel aus - und deren Supraleitung wird geschwächt. Ein anderes Material als das ferromagnetische Manganoxid könnte die Bildung von Cooperpaaren aber vielleicht unterstützen. An der Entwicklung solcher Schichtstrukturen arbeiten Bernhard Keimer und seine Mitarbeiter jetzt.

Ihre neuen Erkenntnisse über die elektronischen Verhältnisse im Grenzbereich ihrer Schichtstrukturen verdanken sie einigen experimentellen Tricks. Um eine so schmale Schicht in den Blick nehmen, wie es diesem Team nun gelungen ist, ist Röntgenlicht, das Physiker als Untersuchungswerkzeug nutzen, nicht feinfühlig genug. Es liefert meist Informationen über Elektronen aus einem größeren Bereich. An einem Synchrotron, in dem Elektronen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und dabei Röntgenstrahlung aussenden, können sie genau die Grenze untersuchen, an der sich die Atome des Mangan- und des Kupferoxids begegnen. "Bei der Synchrotronstrahlung können wir sowohl die Energie des Lichts als auch seine Polarisation sehr genau einstellen", sagt Keimer.

Als Polarisation bezeichnen Physiker die Schwingungsrichtung des Lichts. Indem die Physiker ihre Proben mit der Synchrotronstrahlung abtasten und dabei an diesen beiden Stellschrauben drehen, erfahren sie schon einiges darüber, wo sich die Elektronen in der Grenzschicht aufhalten. Welche speziellen Orbitale die Ladungsträger besetzen, verraten ihnen jedoch erst Simulationen der Elektronenstruktur, die sie mit ihren experimentellen Ergebnissen füttern. Solche Rechnungen geben ihnen nun auch Hinweise, in welchen Schichtstrukturen sich die Supraleitung verstärken würde. "Aber bis wir Transistoren aus solchen Materialien bauen können, wird es noch einige Jahre dauern", sagt Bernhard Keimer.

[HER]

Originalveröffentlichung:

J. Chakhalian, J.W. Freeland, H.-U. Habermeier, G. Cristiani, G. Khaliullin, M. van Veenendaal, B. Keimer
Orbital reconstruction and covalent bonding at an oxide interface
Science, 16. November 2007

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

Weitere Berichte zu: Hochtemperatursupraleiter Supraleiter Supraleitung YBCO

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

nachricht Seltene Erden: Wasserabweisend erst durch Altern
22.03.2017 | Universität Basel

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: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Im Focus: Auf der Spur des linearen Ubiquitins

Eine neue Methode ermöglicht es, den Geheimcode linearer Ubiquitin-Ketten zu entschlüsseln. Forscher der Goethe-Universität berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von "nature methods", zusammen mit Partnern der Universität Tübingen, der Queen Mary University und des Francis Crick Institute in London.

Ubiquitin ist ein kleines Molekül, das im Körper an andere Proteine angehängt wird und so deren Funktion kontrollieren und verändern kann. Die Anheftung...

Im Focus: Tracing down linear ubiquitination

Researchers at the Goethe University Frankfurt, together with partners from the University of Tübingen in Germany and Queen Mary University as well as Francis Crick Institute from London (UK) have developed a novel technology to decipher the secret ubiquitin code.

Ubiquitin is a small protein that can be linked to other cellular proteins, thereby controlling and modulating their functions. The attachment occurs in many...

Im Focus: Physiker erzeugen gezielt Elektronenwirbel

Einem Team um den Oldenburger Experimentalphysiker Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt ist es mithilfe ultrakurzer Laserpulse gelungen, gezielt Elektronenwirbel zu erzeugen und diese dreidimensional abzubilden. Damit haben sie einen komplexen physikalischen Vorgang steuern können: die sogenannte Photoionisation oder Ladungstrennung. Diese gilt als entscheidender Schritt bei der Umwandlung von Licht in elektrischen Strom, beispielsweise in Solarzellen. Die Ergebnisse ihrer experimentellen Arbeit haben die Grundlagenforscher kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Das Umwandeln von Licht in elektrischen Strom ist ein ultraschneller Vorgang, dessen Details erstmals Albert Einstein in seinen Studien zum photoelektrischen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

Über Raum, Zeit und Materie

22.03.2017 | Veranstaltungen

Unter der Haut

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Neues Schiff für die Fischerei- und Meeresforschung

22.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Mit voller Kraft auf Erregerjagd

22.03.2017 | Biowissenschaften Chemie