Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Frustriert gegen den elektrischen Widerstand

23.10.2013
Ein neues Modell für das magnetische Verhalten von Schicht-Kobaltaten könnte langfristig eine Erklärung der Hochtemperatur-Supraleitung ermöglichen

Die Vision vieler Physiker ist ein Material, das Strom bei Raumtemperatur ohne Verluste leitet. Um sie zu verwirklichen, müssen Forscher jedoch erst verstehen, warum Hochtemperatur-Supraleiter ihren Widerstand verlieren.


Ein charakteristisches Spektrum und seine mögliche Erklärung: Einige Materialien wie etwa Hochtemperatur-Supraleiter absorbieren Energie in Abhängigkeit vom Impuls eingestrahlter Neutronen in einem Spektrum, das einem Uhrglas ähnelt. Die Illustration deutet an, dass das typische Anregungsspektrum einer frustrierten Spinordnung entspringen könnte. Die Spins – die Eigendrehimpulse der Elektronen – werden durch die Pfeilrichtungen symbolisiert. Grüne Spins orientieren sich so wie in einer idealen antiferromagnetischen Anordnung. Je stärker rot sie gefärbt sind, desto weiter sind sie aus ihrer idealen Position herausgedreht.

© Nature Communications, 19. 9. 2013; doi:10.1038/ncomms3449

Verglichen mit herkömmlichen Supraleitern leiten diese Materialien bei deutlich höheren Temperaturen verlustfrei Strom, bisher allerdings immer noch weit unter Null Grad Celsius. Physiker des Max-Planck-Instituts für chemische Physik fester Stoffe in Dresden weisen nun die Richtung zu einer neuen Erklärung für dieses elektronische Verhalten.

Wie viele Physiker setzen sie bei den magnetischen Eigenschaften von Hochtemperatur-Supraleitern an, weil deren magnetischen Anregungs-Spektren alle das gleiche, auffällige Erscheinungsbild zeigen.

Die Dresdner Forscher liefern nun Belege gegen zwei bisher favorisierte Erklärungsansätze für das universelle Spektrum, das vermutlich mit der Hochtemperatur-Supraleitung zusammenhängt. Zudem präsentieren sie einen alternativen Mechanismus, der auf Frustrationen in der Spin-Ordnung beruht.

Seit ihrer Entdeckung in den 1980er-Jahren geben Hochtemperatur-Supraleiter der Wissenschaft Rätsel auf. Die Materialien heißen so, weil sie bei weitem nicht so stark abgekühlt werden müssen wie herkömmliche Supraleiter, bis sie ihren elektrischen Widerstand verlieren, und daher mit flüssigem Stickstoff statt sehr teurem flüssigem Helium gekühlt werden können. So wird etwa eine so genannte Kuprat-Keramik bei einer relativ hohen Temperatur von rund minus 135 Grad Celsius supraleitend. Die Gründe dafür zu verstehen, würde die Aussicht enorm erhöhen, gezielt einen Raumtemperatur-Supraleiter zu entwickeln.

Für die Suche nach dem zugrunde liegenden Mechanismus ist die Neutronenspektroskopie wichtig, bei der man Materialproben mit Neutronen aus einem Reaktor beschießt und die Wechselwirkung von Neutronen und Elektronen analysiert. Die Neutronenspektroskopie gibt Aufschluss über die magnetischen Eigenschaften eines Materials, die von der Ordnung der Elektronenspins bestimmt werden. Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft der Elektronen, die man sich in diesem Zusammenhang wie winzige Kompassnadeln vorstellen kann. Je nachdem, wie benachbarte Spins relativ zueinander ausgerichtet sind – parallel oder antiparallel – besitzt das System einen unterschiedlichen Energieinhalt. Mit der Neutronenspektroskopie lässt sich ein Spektrum der magnetischen Anregungen solcher Spin-Strukturen aufzeichnen.

Warum ähnelt das Spektrum magnetischer Anregungen einem Stundenglas?

Hochtemperatur-Supraleiter zeigen ein gemeinsames Muster dieser magnetischen Anregungen: das „hourglass-Spektrum“. Seinen Namen trägt das Spektrum, weil es einem Stundenglas ähnelt. Da es eine universelle Eigenschaft aller Hochtemperatur-Supraleiter darstellt, sind Forscher überzeugt, dass es für das Verständnis dieser Form von Supraleitung von großer Bedeutung ist. Daher versuchen Forscher weltweit dieses hourglass-Spektrum zu erklären.

Vor allem zwei Erklärungen ziehen sie für dieses Phänomen bisher heran. Diese Ansätze beruhen jeweils aus umfassenden Beschreibungen des elektronischen und magnetischen Verhaltens der Materialien, die auch als Grundlage für die Erklärung der Hochtemperatur-Supraleitung dienen können. Allerdings haben Theoretiker diese Zusammenhänge bisher noch nicht zweifelsfrei formulieren können. Einer der Erklärungsansätze für die hourglass-Spektren beruht auf einem Modell der Materialien, in dem Fermiflächen eine wichtige Rolle spielen: Das sind die Elektronenzustände, die für die Leitfähigkeit von Metallen verantwortlich sind. Die andere Erklärung des Spektrums geht von einem Modell der Festkörper aus, in dem das Material durch streifenförmig angeordnete elektrische Ladungen in den Kristall-Schichten charakterisiert wird. Aus solchen Schichten sind Kuprate und andere Hochtemperatur-Supraleiter aufgebaut. Dieses Modell schien sich zu bestätigen, als dieselbe Art von magnetischer Anregung kürzlich in einem Kobaltoxid-Isolator beobachtet wurde, in dem es keine Fermiflächen gibt.

Nun stellen die Forscher um Alexander Komarek am Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe auch diesen zweiten Erklärungsansatz infrage. Sie erzeugten einen sehr reinen Kobaltoxid-Kristall, der das hourglass-Anregungsspektrum der Kuprat-Supraleiter zeigt. „Allerdings fehlen ihm nicht nur metallische Eigenschaften, sondern auch die Ladungsstreifen, weil sich die Ladungen in unserem extrem reinen Kobaltoxid-Kristall außergewöhnlich homogen verteilen“, erklärt Alexander Komarek. „Damit können wir die beiden populärsten Modelle zur Beschreibung der Spin-Anregungen in Kuprat-Hochtemperatursupraleitern für diese Kobalt-Oxid-Verbindung ausschließen“

Die neue Erklärung basiert auf frustrierten Elektronenspins

Das Team um Alexander Komarek wartet gleichzeitig mit einer neuen Erklärung für das hour-glass-Spektrum auf. Demnach kommt es durch ein Phänomen namens Frustration zustande, das mit der gegenseitigen Ausrichtung der Spins zusammenhängt. Bei tiefen Temperaturen tendieren die Spins dazu, sich zu ordnen, ähnlich wie parallel nebeneinander liegende Magnetstäbe sich ausrichten, weil dadurch die Energie minimal wird.

Allerdings kann sich diese ideale Ordnung in den Kobaltoxidkristallen der Dresdner Forscher und möglicherweise auch in Hochtemperatursupraleitern nicht ausbilden, wie die Experimente des Dresdner Teams zeigen. Die Materialien sind chemisch nämlich so zusammengesetzt, dass zwischen den Spins, die sich eigentlich regelmäßig anordnen würden, einige wenige zusätzliche Spins untergebracht werden müssen. Jede zusätzliche elektrische Ladung stört die Ordnung empfindlich. Die Spins sollen es nun gleichsam allen recht machen: um ihre Energie zu minimieren, müssten sie sich gleichzeitig sowohl relativ zum Spin der neuen Ladung ausrichten als auch die alte Ordnung beibehalten. Ein unlösbarer Konflikt.

„Gerade diese Frustration könnte nun aber der Schlüssel zum Verständnis der Anregungen in den Hochtemperatur-Supraleitern sein“, sagt Alexander Komarek. Denn den Ergebnissen des Dresdner Teams zufolge müssen Physiker möglicherweise die frustrierte Spin-Anordnung berücksichtigen, um das elektronische und magnetische Verhalten der Materialien zu beschreiben, die in der Neutronenstreuung durch ein hourglass-Spektrum auffallen. Ein solches umfassendes Modell auf Basis der Spin-Frustration könnte dann vielleicht sogar auch eine Erklärung liefern, warum die betreffenden Materialien Strom ohne Widerstand transportieren.

Ansprechpartner

Dr. Alexander C. Komarek
Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe, Dresden
Telefon: +49 351 4646-4423
E-Mail: alexander.komarek@­cpfs.mpg.de
Originalpublikation
Yvo Drees, Daniel Lamago, Andrea Piovano und Alexander C. Komarek
Hour-glass magnetic spectrum in a stripeless insulating transition metal oxide
Nature Communications, 19. September 2013

Dr. Alexander C. Komarek | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/7575666/hochtemperatur_supraleiter_magnetische_anregung

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ultra-sensitiv dank quantenmechanischer Verschränkung
28.06.2017 | Universität Stuttgart

nachricht Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit
26.06.2017 | Universität Bremen

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: Schnelles und umweltschonendes Laserstrukturieren von Werkzeugen zur Folienherstellung

Kosteneffizienz und hohe Produktivität ohne dabei die Umwelt zu belasten: Im EU-Projekt »PoLaRoll« entwickelt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit dem Oberhausener Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheit- und Energietechnik UMSICHT und sechs Industriepartnern ein Modul zur direkten Laser-Mikrostrukturierung in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren. Ziel ist es, mit Hilfe dieses Systems eine siebartige Metallfolie als Demonstrator zu fertigen, die zum Sonnenschutz von Glasfassaden verwendet wird: Durch ihre besondere Geometrie wird die Sonneneinstrahlung reduziert, woraus sich ein verminderter Energieaufwand für Kühlung und Belüftung ergibt.

Das Fraunhofer IPT ist im Projekt »PoLaRoll« für die Prozessentwicklung der Laserstrukturierung sowie für die Mess- und Systemtechnik zuständig. Von den...

Im Focus: Das Auto lernt vorauszudenken

Ein neues Christian Doppler Labor an der TU Wien beschäftigt sich mit der Regelung und Überwachung von Antriebssystemen – mit Unterstützung des Wissenschaftsministeriums und von AVL List.

Wer ein Auto fährt, trifft ständig Entscheidungen: Man gibt Gas, bremst und dreht am Lenkrad. Doch zusätzlich muss auch das Fahrzeug selbst ununterbrochen...

Im Focus: Vorbild Delfinhaut: Elastisches Material vermindert Reibungswiderstand bei Schiffen

Für eine elegante und ökonomische Fortbewegung im Wasser geben Delfine den Wissenschaftlern ein exzellentes Vorbild. Die flinken Säuger erzielen erstaunliche Schwimmleistungen, deren Ursachen einerseits in der Körperform und andererseits in den elastischen Eigenschaften ihrer Haut zu finden sind. Letzteres Phänomen ist bereits seit Mitte des vorigen Jahrhunderts bekannt, konnte aber bislang nicht erfolgreich auf technische Anwendungen übertragen werden. Experten des Fraunhofer IFAM und der HSVA GmbH haben nun gemeinsam mit zwei weiteren Forschungspartnern eine Oberflächenbeschichtung entwickelt, die ähnlich wie die Delfinhaut den Strömungswiderstand im Wasser messbar verringert.

Delfine haben eine glatte Haut mit einer darunter liegenden dicken, nachgiebigen Speckschicht. Diese speziellen Hauteigenschaften führen zu einer signifikanten...

Im Focus: Kaltes Wasser: Und es bewegt sich doch!

Bei minus 150 Grad Celsius flüssiges Wasser beobachten, das beherrschen Chemiker der Universität Innsbruck. Nun haben sie gemeinsam mit Forschern in Schweden und Deutschland experimentell nachgewiesen, dass zwei unterschiedliche Formen von Wasser existieren, die sich in Struktur und Dichte stark unterscheiden.

Die Wissenschaft sucht seit langem nach dem Grund, warum ausgerechnet Wasser das Molekül des Lebens ist. Mit ausgefeilten Techniken gelingt es Forschern am...

Im Focus: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Marine Pilze – hervorragende Quellen für neue marine Wirkstoffe?

28.06.2017 | Veranstaltungen

Willkommen an Bord!

28.06.2017 | Veranstaltungen

Internationale Fachkonferenz IEEE ICDCM - Lokale Gleichstromnetze bereichern die Energieversorgung

27.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

EUROSTARS-Projekt gestartet - mHealth-Lösung: time4you Forschungs- und Entwicklungspartner bei IMPACHS

28.06.2017 | Unternehmensmeldung

Proteine entdecken, zählen, katalogisieren

28.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Neue Scheinwerfer-Dimension: Volladaptive Lichtverteilung in Echtzeit

28.06.2017 | Automotive