Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Erstaunliches Verhalten in Hochtemperatursupraleitern beobachtet

20.10.2014

Neuer Effekt möglicherweise wichtig für grundsätzliches Verständnis

Ein international besetztes Forschungsteam hat in Experimenten am Paul Scherrer Institut PSI ein neues unerwartetes Verhalten in kupferbasierten Hochtemperatursupraleitern beobachtet. Die Erklärung des neuen Phänomens – einer unerwarteten Form gemeinsamer Bewegung der elektrischen Ladungen – stellt für die Forschenden eine grosse Herausforderung dar. Sollte sie gelingen, könnte das einen wichtigen Schritt zum Verständnis der Hochtemperatursupraleitung an sich darstellen.


Die PSI-Forschenden Thorsten Schmitt und Yaobo Huang an der ADRESS-Strahllinie der SLS

Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic

Trotz ihres Namens müssen Hochtemperatursupraleiter stark gekühlt werden, um supraleitend zu werden. Der Name rührt daher, dass die nötigen Temperaturen in der Regel nicht ganz so niedrig sind wie bei den länger bekannten konventionellen Supraleitern. „Materialien, die auch bei Zimmertemperatur supraleitend wären, könnten helfen, viel Energie zu sparen“, erklärt Thomas Devereaux, Leiter des Forschungsteams aus Stanford. „Aber um solche Materialien zu entwickeln, müssen wir verstehen, was im Inneren der Materialien geschieht, wenn sie supraleitend werden. Unsere neusten Forschungsergebnisse tragen ein Puzzle-Stück zu diesem Verständnis bei.“
Kupferoxid – ein keramisches Material – leitet normalerweise keinen Strom. Es kann aber zum Supraleiter werden, wenn man einen kleinen Teil der vorhandenen Atome durch Atome bestimmter anderer Elemente ersetzt, sodass die Zahl der beweglichen Elektronen im Material grösser oder kleiner wird – ein Verfahren, das man als Dotierung bezeichnet. Zusätzlich muss man das Material noch stark kühlen. Wie stark man das Material kühlen muss, hängt erstaunlicherweise davon ab, welche Art Atome man hinzugefügt hat: Waren es solche, die zusätzliche Elektronen liefern, muss man auf 30 Kelvin, also 30 Grad über dem absoluten Nullpunkt kühlen. Fügt man aber Atome bei, die die Zahl der Elektronen reduzieren, reicht es, auf 120 Kelvin zu kühlen. Ein Ziel des beschriebenen Forschungsprojekts war es, den Grund für dieses unterschiedliche Verhalten unter Dotierung herauszubekommen.

Zeigen wie sich die Ladungsträger bewegen

Um zu bestimmen, wie sich die Eigenschaften des Materials durch die Dotierung ändern, nutzten die Forschenden eine moderne Experimentiertechnik mit Röntgenlicht – die resonante inelastische Röntgenstreuung RIXS. Die Experimente wurden am RIXS-Instrument an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Paul Scherrer Instituts PSI durchgeführt. „Diese Anlage hat die zurzeit höchste Auflösung weltweit und kann zeigen, wie sich die Elektronen unter Anregung durch Röntgenlicht bewegen“, so Thorsten Schmitt, der für die Anlage verantwortliche Wissenschaftler am PSI. „Bei einem RIXS-Experiment strahlt man Röntgenlicht auf die Probe. Dies regt in der Probe eine magnetische Welle – eine Spinwelle – an. Dabei gibt das Röntgenlicht einen Teil seiner Energie an die magnetische Welle ab. Vergleicht man die Energie des eingestrahlten Röntgenlichts mit jener des von der Probe gestreuten Röntgenlichts, erhält man Informationen über die Eigenschaften der angeregten magnetischen Welle (insbesondere deren Energie). Nirgendwo sonst auf der Welt kann die Energie solcher Anregungen so genau gemessen werden wie an unserem RIXS-Instrument am PSI.“
Die Anregungen – oder Wellen – breiten sich durch das Material aus, wenn sich irgendwo eine Eigenschaft des Materials verändert. Bei den veränderten Eigenschaften kann es sich um die Verteilung der elektrischen Ladungen oder, wie hier, um die magnetische Ordnung im Material handeln. Eine magnetische Ordnung kann entstehen, weil sich Elektronen im Inneren mancher Materialien wie winzige Magnete verhalten. Sind diese Magnete in einem regelmässigen Muster angeordnet, hat man eine magnetische Ordnung. In dieser Ordnung können Wellen angeregt werden, wenn einzelne Magnete aus ihrer Position ausgelenkt werden und wenn sich diese Auslenkung von Magnet zu Magnet fortpflanzt. Dabei breitet sich die Anregung nicht unbedingt in der gleichen Richtung aus, in der die einzelnen Magnete ausgelenkt werden – so wie eine Wasserwelle sich entlang der Wasseroberfläche fortpflanzt, obwohl sich die einzelnen Wassermoleküle nur auf und ab bewegen. Für die magnetische wie für die Wasserwelle ist vor allem die Ausbreitungsrichtung der Welle als Ganzes wichtig. Das ist nämlich die Richtung, in der die Welle Energie transportiert, was im Fall der Wasserwelle zum Beispiel von Surfern ausgenutzt wird.

Experiment zeigt Erstaunliches

Die Experimente zeigten zweierlei Erstaunliches: „Zum einen nahm in den untersuchten Materialien mit Elektronenüberschuss die magnetische Energie, die von den Anregungen transportiert wurde, in unerwartet hohem Ausmass zu. Zum anderen wurde in ebendiesen Materialien die Entstehung neuer kollektiver Anregungen - einer spezielle Form gemeinsamer Bewegung der elektrischen Ladungen - festgestellt“, berichtet Wei-Sheng Lee, Erstautor der Veröffentlichung. „Es ist jedoch rätselhaft, warum man diese Phänomene in den elektronenarmen Materialien nicht beobachtet, denn eigentlich würde man in diesen ein ähnliches Verhalten erwarten wie in den Materialien mit Elektronenüberschuss.“

Die neue Entdeckung ist ein weiterer Schritt auf dem langen und mühsamen Weg hin zum Verständnis der Hochtemperatursupraleitung. Seit den 1950er-Jahren wissen Wissenschaftler, warum bestimmte Metalle und einfache Legierungen supraleitend werden, wenn man sie auf wenige Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt kühlt. Ihre Elektronen finden sich zu Paaren zusammen, die von atomaren Schwingungen zusammengehalten werden, die wie eine Art virtueller Klebstoff wirken. Oberhalb einer bestimmten Temperatur hält der Klebstoff nicht mehr, weil die immer stärkere Bewegung der Atome in dem Supraleiter die Elektronen voneinander trennt und so die Supraleitung zum Verschwinden bringt.

Seit 1986 haben Forschende eine Reihe neuartiger Materialien entdeckt, die bei höheren Temperaturen (etwa 30 bis 120 Kelvin) supraleitend werden – die sogenannten Hochtemperatursupraleiter. Nun erhofft man sich, dass man langfristig Supraleiter erzeugen kann, die bei Zimmertemperatur oder sogar noch höheren Temperaturen supraleitend werden, wenn man besser versteht, wie diese Materialien funktionieren.

Wie Elektronen zu Paaren zusammenfinden

Doch noch ist unklar, wie die Paarung der Elektronen in Hochtemperatursupraleitern genau zustande kommt. Bis vor kurzem ist man davon ausgegangen, dass die Elektronenpaare bei höheren Temperaturen von starken magnetischen Anregungen zusammengehalten werden, die durch Wechselwirkungen zwischen den Spins der Elektronen erzeugt werden. Neuste Computerberechnungen, die Forschende vom SLAC und der Universität Stanford erarbeitet haben, zeigen aber, dass die hochenergetischen magnetischen Wechselwirkungen nicht alleine für die Bildung von Elektronenpaaren und somit für die Hochtemperatursupraleitung verantwortlich sind.
Lee betont, dass auch nach den jüngsten Ergebnissen unklar ist, ob die neu beobachteten, kollektiven Anregungen der elektrischen Ladungen einen Zusammenhang mit der Paarung der Elektronen in den untersuchten Hochtemperatursupraleitern haben. Man weiss denn auch nicht, ob der neue Effekt für die Supraleitung in den untersuchten Materialien förderlich oder eher hinderlich ist.
„Theoretische Physiker werden nun die neuen Ergebnisse in ihren Erklärungen zur Entstehung der Hochtemperatursupraleitung berücksichtigen müssen“, sagt Thorsten Schmitt.

An der Arbeit beteiligt waren auch Forschende der folgenden Institutionen: Columbia University, University of Minnesota, Wissenschaftlich-Technische Universität AGH (Polen), National Synchrotron Radiation Research Center und National Tsing Hua University in Taiwan, und Chinesische Akademie der Wissenschaften. Die Forschung wurde finanziell gefördert vom Schweizerischen Nationalfonds SNF, dem Office of Science [Basic Energy Sciences] des Department of Energy DOE, U.S. National Science Foundation. 

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 350 Mio.
 
Kontakt:
Dr. Thorsten Schmitt, Leiter der Gruppe Spektroskopie neuartiger Materialien
Labor für Synchrotronstrahlung – Kondensierte Materie
Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 37 62, E-Mail: thorsten.schmitt@psi.ch

Originalveröffentlichung:
Asymmetry of collective excitations in electron-and hold-doped cuprate superconductors
W. S. Lee, J. J. Lee, E. A. Nowadnick, S. Gerber, W. Tabis, S.W. Huang, V. N. Strocov, E. M. Motoyama, G. Yu, B. Moritz, H. Y. Huang, R. P.Wang, Y. B. Huang, W. B.Wu, C. T. Chen, D. J. Huang, M. Greven, T. Schmitt, Z. X. Shen and T. P. Devereaux
Nature Physics, advance online publication 19 October 2014; DOI: 10.1038/nphys3117 Link: http://dx.doi.org/10.1038/nphys3117

Weitere Informationen:

http://psi.ch/Cd9N Darstellung der Mitteilung auf der PSI-Webseite. Enthält eine Animation.
http://www.psi.ch/lsc Labor für Synchrotronstrahlung – Kondensierte Materie (LSC)
http://www.psi.ch/sls/adress ADRESS-Strahllinie an der SLS

Dagmar Baroke | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ruckartige Bewegung schärft Röntgenpulse
28.07.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Drei Generationen an Sternen unter einem Dach
27.07.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Ruckartige Bewegung schärft Röntgenpulse

Spektral breite Röntgenpulse lassen sich rein mechanisch „zuspitzen“. Das klingt überraschend, aber ein Team aus theoretischen und Experimentalphysikern hat dafür eine Methode entwickelt und realisiert. Sie verwendet präzise mit den Pulsen synchronisierte schnelle Bewegungen einer mit dem Röntgenlicht wechselwirkenden Probe. Dadurch gelingt es, Photonen innerhalb des Röntgenpulses so zu verschieben, dass sich diese im gewünschten Bereich konzentrieren.

Wie macht man aus einem flachen Hügel einen steilen und hohen Berg? Man gräbt an den Seiten Material ab und schüttet es oben auf. So etwa kann man sich die...

Im Focus: Abrupt motion sharpens x-ray pulses

Spectrally narrow x-ray pulses may be “sharpened” by purely mechanical means. This sounds surprisingly, but a team of theoretical and experimental physicists developed and realized such a method. It is based on fast motions, precisely synchronized with the pulses, of a target interacting with the x-ray light. Thereby, photons are redistributed within the x-ray pulse to the desired spectral region.

A team of theoretical physicists from the MPI for Nuclear Physics (MPIK) in Heidelberg has developed a novel method to intensify the spectrally broad x-ray...

Im Focus: Physiker designen ultrascharfe Pulse

Quantenphysiker um Oriol Romero-Isart haben einen einfachen Aufbau entworfen, mit dem theoretisch beliebig stark fokussierte elektromagnetische Felder erzeugt werden können. Anwendung finden könnte das neue Verfahren zum Beispiel in der Mikroskopie oder für besonders empfindliche Sensoren.

Mikrowellen, Wärmestrahlung, Licht und Röntgenstrahlung sind Beispiele für elektromagnetische Wellen. Für viele Anwendungen ist es notwendig, diese Strahlung...

Im Focus: Physicists Design Ultrafocused Pulses

Physicists working with researcher Oriol Romero-Isart devised a new simple scheme to theoretically generate arbitrarily short and focused electromagnetic fields. This new tool could be used for precise sensing and in microscopy.

Microwaves, heat radiation, light and X-radiation are examples for electromagnetic waves. Many applications require to focus the electromagnetic fields to...

Im Focus: Navigationssystem der Hirnzellen entschlüsselt

Das menschliche Gehirn besteht aus etwa hundert Milliarden Nervenzellen. Informationen zwischen ihnen werden über ein komplexes Netzwerk aus Nervenfasern übermittelt. Verdrahtet werden die meisten dieser Verbindungen vor der Geburt nach einem genetischen Bauplan, also ohne dass äußere Einflüsse eine Rolle spielen. Mehr darüber, wie das Navigationssystem funktioniert, das die Axone beim Wachstum leitet, haben jetzt Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) herausgefunden. Das berichten sie im Fachmagazin eLife.

Die Gesamtlänge des Nervenfasernetzes im Gehirn beträgt etwa 500.000 Kilometer, mehr als die Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit es beim Verdrahten der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Ferienkurs mit rund 600 Teilnehmern aus aller Welt

28.07.2017 | Veranstaltungen

10. Uelzener Forum: Demografischer Wandel und Digitalisierung

26.07.2017 | Veranstaltungen

Clash of Realities 2017: Anmeldung jetzt möglich. Internationale Konferenz an der TH Köln

26.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Firmen räumen bei der IT, Mobilgeräten und Firmen-Hardware am liebsten in der Urlaubsphase auf

28.07.2017 | Unternehmensmeldung

Dunkel war’s, der Mond schien helle: Nachthimmel oft heller als gedacht

28.07.2017 | Geowissenschaften

8,2 Millionen Euro für den Kampf gegen Leukämie

28.07.2017 | Förderungen Preise