Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Friedensschluss im Festkörper

11.06.2010
Magnetismus und Supraleitung können gleichzeitig auf engstem Raum auftreten

Feindschaften kennt auch die Physik. Doch manchmal lassen sich unter der oberflächlichen Antipathie tiefe Gemeinsamkeiten entdecken. Magnetismus und Supraleitung - die Fähigkeit eines Materials, Strom verlustfrei zu leiten - etwa galten Physikern lange als erbitterte Gegner: Wo der eine sich breit macht, hält die andere es nicht aus und vice versa. Ein Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe präsentieren jetzt aber experimentelle Belege, dass beide Phänomene sehr wohl auf kleinstem Raum nebeneinander existieren können. Mehr noch: Vermutlich beruht eine bestimmte Form der Supraleitung sogar auf magnetischen Wechselwirkungen. Die Erkenntnisse könnten zur Lösung der Frage beitragen, warum manche Stoffe schon bei relativ hohen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand aufgeben. Das zu verstehen ist Voraussetzung, um Stoffe zu identifizieren, die auch in alltäglichen Anwendungen Strom verlustfrei leiten können. (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107 (2010) 9537-9540)


Ein Ort der Versöhnung: In einer Variante dieses Materials, die neben Cer, Kobalt und Indium eine geringe Menge Cadmium enthält, treten Magnetismus und Supraleitung gleichzeitig auf. Da die Struktur aus Schichten besteht, hängen beide Eigenschaften auch von der Richtung ab, in der sie gemessen werden. Bild: MPI für chemische Physik fester Stoffe

Wenn zwei das gleiche tun, ist das noch lange nicht dasselbe. Das gilt auch, wenn Stoffe ihren elektrischen Widerstand verlieren. Blei etwa wird bei etwa minus 266 Grad Celsius zum Supraleiter, die beste Kupferoxid-Keramik bei gut 110 Grad unter Null. Trotz dieser immer noch ziemlich frostigen Übergangstemperatur firmieren letztere als "Hochtemperatur"-Supraleiter.

Während Physiker jedoch sehr gut verstehen, was den Widerstand in klassischen metallischen Supraleitern wie Blei bricht, gibt ihnen die Supraleitung in der Keramik noch immer Rätsel auf. Dabei wäre es gerade aus technischer Sicht sehr interessant, die Supraleitung in jenen Materialien zu verstehen, die Strom bei relativ hoher Temperatur verlustfrei leiten. Denn sobald sich diese keramische "Hochtemperatur"-Supraleitung erklären lässt, wird auch die Suche nach Materialien leichter, die selbst bei Temperaturen eines mitteleuropäischen Sommertages noch keinen Widerstand leisten.

Möglicherweise helfen die Ergebnisse, die ein internationales Team um Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden jetzt präsentieren, die Supraleitung in Kupferoxid-Keramiken zu erklären. "Wir verfolgen die These, dass magnetische Wechselwirkungen für die keramische Supraleitung verantwortlich sind", sagt Steffen Wirth, der dafür am Dresdner Max-Planck-Institut Belege sucht und findet. Dabei galt in der Physik lange als ausgemacht, dass Magnetismus und Supraleitung sich so wenig vertragen wie Schnee und Sommer. Wirth hat mit seinen Kollegen jetzt aber starke Hinweise gefunden, dass Magnetismus und Supraleitung in einer Substanz gleichzeitig auf engstem Raum auftreten können.

Ein Tieftemperatur-Supraleiter mit ungewöhnlichen Eigenschaften

Die Forscher konzentrierten sich auf eine Legierung aus Cer, Kobalt, Indium und einer Spur Cadmium, die sie gemeinsam mit einer internationalen Gruppe herstellen, die sich besonders gut auf die Züchtung diffiziler Kristalle versteht. "Diese Verbindung gehört zwar zu den Tieftemperatur-Supraleitern, erklärt Steffen Wirth: "Wir sind aber überzeugt, dass seine Supraleitung nach einem Mechanismus zustande kommt, der auch in keramischen Supraleitern greifen könnte."

Sie beobachteten, wie sich unterhalb von minus 270,7 Grad Celsius eine antiferromagnetische Ordnung bildet: Allmählich ordnen sich die magnetischen Momente bestimmter Elektronen so, dass sie wie winzige Stabmagneten abwechselnd mit Nord- und Südpolen aneinander liegen. Bei ziemlich genau minus 271,4 Grad Celsius bricht dann der Widerstand der metallischen Legierung zusammen. Dann haben sich rund 60 Prozent aller magnetischen Momente antiparallel ausgerichtet - und das bleibt auch so. "Bei tieferen Temperaturen verstärkt sich die antiferromagnetische Ordnung zwar nicht mehr", sagt Steffen Wirth: "Aber sie bricht auch nicht zusammen, wie man das lange erwartet hatte."

Diese Erkenntnis haben die Forscher gewonnen, indem sie eine Probe der erwähnten Legierung mit drei Messmethoden sezierten: Zusammen mit Forschern des Helmholtz-Zentrums Berlin haben sie mit einem Neutronenstrahl die magnetische Ordnung der Probe ertastet. Neutronen besitzen selbst ein magnetisches Moment und werden daher je nach der Orientierung der magnetischen Momente in einem Stoff anders gestreut. Messungen der elektrischen Leitfähigkeit verrieten ihnen, wann die Supraleitung einsetzt. Miteinander kombiniert liefern die beiden Untersuchungen ein Phasendiagramm: dieses Bild zeigt, bei welchen Temperaturen, bei welchen äußeren Magnetfeldern oder auch chemischen Zusammensetzungen in einem Stoff ein Phasenübergang stattfindet, wann das Material also seine physikalischen Eigenschaften ändert und zum Beispiel supraleitend wird.

Magnetismus und Supraleitung essen aus demselben Topf

"Bislang gibt es keine Methode, die gleichzeitig die magnetische Ordnung und elektrische Transporteigenschaften bestimmen kann", sagt Steffen Wirth: "Unsere Messungen liefern aber ein sehr umfassendes Bild, auch weil die Ergebnisse der verschiedenen Methoden perfekt zusammen passen." Bestätigt haben die Physiker das Bild der Neutronenstreuung und Leitfähigkeitsexperimente durch Untersuchungen der Wärmekapazität: Sie haben gemessen, wie viel Wärme, sprich Energie, das Material aufnehmen kann, ehe sich seine Temperatur um ein Grad Celsius erhöht. Diese Aufnahmekapazität variiert immer dann, wenn sich auch andere physikalische Eigenschaften des Materials ändern.

Dass sich Magnetismus und Supraleitung miteinander aussöhnen, spricht für das Bild, das sich die Dresdener Forscher von der keramischen "Hochtemperatur"-Supraleitung machen: "Wir sind überzeugt, dass Magnetismus und Supraleitung aus demselben Topf essen: Beide speisen sich aus den magnetischen Fluktuationen." Mit den magnetischen Fluktuationen ändert sich ständig die magnetische Ordnung in dem Kristall. Unterm Strich richtet sich aber immer derselbe Anteil magnetischer Momente so aus, wie es das Phasendiagramm vorschreibt, also zum Beispiel zu 60 Prozent antiferromagnetisch.

Getragen werden die magnetischen Fluktuationen von einer bestimmten Sorte von Elektronen. Sie befinden sich genau dort im Atom, wo sie sowohl den Magnetismus als auch die Supraleitung bewirken können - und bilden quasi die Zutaten in dem Topf, aus dem sich Magnetismus und Supraleitung bedienen.

Offenbar verkuppeln also magnetische Kräfte jeweils zwei Elektronen zu einem Cooperpaar, davon zumindest gehen die Max-Planck-Physiker in ihrem Modell der unkonventionellen Supraleitung aus. Verbandelt in einem Cooper-Paar spüren die Elektronen den Widerstand nicht mehr, den ihnen das Kristallgitter entgegensetzt. "Dafür, dass die Supraleitung auf magnetischen Wechselwirkungen beruht, haben wir noch keine herzhaften Beweis, aber gute Indizien", so Wirth: "Jedenfalls unterstreichen unsere Ergebnisse, dass die gängigen Theorien, mit denen wir bislang die elektronischen Eigenschaften eines Materials beschreiben, für unsere Proben und für die keramischen Supraleiter nicht gelten." Nun müssen theoretische Physiker die Theorie zu Supraleitern also erweitern, damit sie sich auch mit den Ergebnissen der aktuellen Experimente vertragen.

Originalveröffentlichung:

Sunil Nair, Oliver Stockert, Ulrike Witte, Michael Nicklas, Roland Schedler, Klaus Kiefer, Joe D. Thompson, Andrea D. Bianchi, Zachary Fisk, Steffen Wirth, and Frank Steglich
Magnetism and superconductivity driven by identical 4f states in a heavy-fermion metal

PNAS, 25. Mai 2010; DOI: 10.1073/pnas.1004958107

Weitere Informationen erhalten Sie von:

PD Dr. Steffen Wirth
Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe, Dresden
Tel.: 0351 4646-3229
E-Mail: wirth@cpfs.mpg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht 3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind
24.05.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft
24.05.2017 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

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: Orientierungslauf im Mikrokosmos

Physiker der Universität Würzburg können auf Knopfdruck einzelne Lichtteilchen erzeugen, die einander ähneln wie ein Ei dem anderen. Zwei neue Studien zeigen nun, welches Potenzial diese Methode hat.

Der Quantencomputer beflügelt seit Jahrzehnten die Phantasie der Wissenschaftler: Er beruht auf grundlegend anderen Phänomenen als ein herkömmlicher Rechner....

Im Focus: A quantum walk of photons

Physicists from the University of Würzburg are capable of generating identical looking single light particles at the push of a button. Two new studies now demonstrate the potential this method holds.

The quantum computer has fuelled the imagination of scientists for decades: It is based on fundamentally different phenomena than a conventional computer....

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Meeresschutz im Fokus: Das IASS auf der UN-Ozean-Konferenz in New York vom 5.-9. Juni

24.05.2017 | Veranstaltungen

Diabetes Kongress in Hamburg beginnt heute: Rund 6000 Teilnehmer werden erwartet

24.05.2017 | Veranstaltungen

Wissensbuffet: „All you can eat – and learn”

24.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Hochspannung für den Teilchenbeschleuniger der Zukunft

24.05.2017 | Physik Astronomie

3D-Graphen: Experiment an BESSY II zeigt, dass optische Eigenschaften einstellbar sind

24.05.2017 | Physik Astronomie

Optisches Messverfahren für Zellanalysen in Echtzeit - Ulmer Physiker auf der Messe "Sensor+Test"

24.05.2017 | Messenachrichten