Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nature Physics: „Lang ersehnte Begründung“ für mysteriöse Effekte in Hochtemperatursupraleitern

04.06.2013
Ein deutsch-französisches Forscherteam hat ein neues Modell aufgestellt, das erklärt, wie sich in Hochtemperatursupraleitern der sogenannte „Pseudogap“-Zustand bildet.

Die Berechnungen sagen zwei gleichzeitig existierende Elektronenordnungen voraus. Supraleiter verlieren ab einer bestimmten Temperatur ihren elektrischen Widerstand und können Strom verlustfrei leiten.


An jedem Kupferatom (graue Kugeln) liegt ein Quadrupolmoment vor; in der Summe bilden diese eine Art Schachbrettmuster, wobei sich die einzelnen Quadrate des Schachbretts in der Ausrichtung der positiv und negativ geladenen Bereiche unterscheiden (grün: positive Bereiche links und rechts; grau: positive Bereiche oben und unten). An den Grenzen zwischen grünen und grauen Flächen findet ein Vorzeichenwechsel statt. Grenznahe Kupferatome weisen ein kleineres Quadrupolmoment auf als Kupferatome in der Mitte der Flächen. Konstantin Efetov und Hendrik Meier (Institut für Theoretische Physik III)

Die neue „Pseudogap“-Theorie könnte auch die lang ersehnte Begründung liefern, warum bestimmte keramische Kupferoxidverbindungen im Gegensatz zu herkömmlichen metallischen Supraleitern bei so ungewöhnlich hohen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verlieren.

Zwei Ordnungssysteme für Elektronen
„Lang ersehnte Begründung“ für mysteriöse Effekte in Hochtemperatursupraleitern
Bochumer und Pariser Physiker berichten in „Nature Physics“

Ein deutsch-französisches Forscherteam hat ein neues Modell aufgestellt, das erklärt, wie sich in Hochtemperatursupraleitern der sogenannte „Pseudogap“-Zustand bildet. Die Berechnungen sagen zwei gleichzeitig existierende Elektronenordnungen voraus. Supraleiter verlieren ab einer bestimmten Temperatur ihren elektrischen Widerstand und können Strom verlustfrei leiten.
„Es ist nicht auszuschließen, dass die neue ‚Pseudogap‘-Theorie auch die lang ersehnte Begründung liefert, warum bestimmte keramische Kupferoxidverbindungen im Gegensatz zu herkömmlichen metallischen Supraleitern bei so ungewöhnlich hohen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verlieren“, sagen Prof. Dr. Konstantin Efetov und Dr. Hendrik Meier vom Lehrstuhl für Theoretische Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum. Die Erkenntnisse erzielten sie in enger Kooperation mit Dr. Catherine Pépin vom Institut für Theoretische Physik in Saclay bei Paris. Das Team berichtet in der Zeitschrift „Nature Physics“.

Sprungtemperatur bei keramischen Supraleitern deutlich höher als bei metallischen

Supraleitung tritt nur bei sehr niedrigen Temperaturen unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur auf; in metallischen Supraleitern liegt diese nahe dem absoluten Nullpunkt von 0 Grad Kelvin; das entspricht etwa -273 Grad Celsius. Kristalline Keramikmaterialien können jedoch bei Temperaturen bis zu 138 Grad Kelvin supraleitend sein. Forscher rätseln seit 25 Jahren, was die physikalischen Grundlagen dieser Hochtemperatursupraleitung sind.

„Pseudogap“: Energielücke oberhalb der Sprungtemperatur

Im supraleitenden Zustand wandern Elektronen zu zweit in sogenannten Cooper-Paaren durch das Kristallgitter eines Materials. Um ein Cooper-Paar aufzubrechen, sodass zwei freie Elektronen entstehen, braucht es eine bestimmte Energiemenge. Dieser Unterschied in der Energie der Cooper-Elektronen und der freien Elektronen wird Energielücke genannt. In supraleitenden Kupferoxidverbindungen, den Cupraten, tritt eine ähnliche Energielücke unter bestimmten Umständen auch oberhalb der Sprungtemperatur auf – das „Pseudogap“ oder die Pseudoenergielücke. Kennzeichnend für das „Pseudogap“ ist, dass die Energielücke nur von Elektronen mit bestimmten Geschwindigkeitsrichtungen wahrgenommen wird. Das Modell des deutsch-französischen Teams erlaubt jetzt neue Einblicke in das physikalische Innenleben des „Pseudogap“-Zustands.

Zwei konkurrierende Elektronenordnungen im „Pseudogap“-Zustand

Laut Modell beinhaltet der „Pseudogap“-Zustand gleichzeitig zwei Elektronenordnungen: die d-Wellen-Supraleitung, bei der die Elektronen eines Cooper-Paares in einer Kleeblattform umeinander kreisen, und eine Quadrupoldichtewelle. Bei letzterer handelt es sich um eine spezielle elektrostatische Struktur, bei der an jedem Kupferatom im zweidimensionalen Kristallgitter ein Quadrupolmoment vorliegt – also zwei gegenüberliegende Bereiche negativer Ladung und zwei gegenüberliegende Bereiche positiver Ladung. d-Wellen-Supraleitung und Quadrupoldichtewelle konkurrieren im „Pseudogap“-Zustand miteinander. Aufgrund thermischer Fluktuationen kann sich keine der beiden Ordnungen durchsetzen. Kühlt man das System jedoch ab, werden die thermischen Fluktuationen schwächer und eine der beiden Ordnungen gewinnt die Oberhand: die Supraleitung. Die kritische Temperatur, bei der das passiert, kann in dem Modell wesentlich höher sein als die Sprungtemperatur von konventionellen metallischen Supraleitern. Das Modell könnte somit erklären, warum die Sprungtemperatur in den keramischen Supraleitern so viel höher liegt.

Cuprate

Hochtemperatursupraleiter auf Kupferoxidbasis werden auch Cuprate genannt. Zusätzlich zu Kupfer und Sauerstoff können sie zum Beispiel die Elemente Yttrium und Barium enthalten (YBa2Cu3O7). Damit das Material supraleitend wird, bringen Forscher “positive Löcher“, also Elektronenfehlstellen, in das Kristallgitter ein. Durch diese können die Elektronen in Cooper-Paaren „fließen“. Man spricht von Lochdotierung. Der „Pseudogap“-Zustand stellt sich nur ein, wenn das Cuprat weder zu wenig noch zu stark lochdotiert ist.

Titelaufnahme

K.B. Efetov, H. Meier, C. Pépin (2013): Pseudogap state near a quantum critical point, Nature Physics, DOI: 10.1038/NPHYS2641

Weitere Informationen

Prof. Dr. Konstantin Efetov, Lehrstuhl für Theoretische Festkörperphysik, Institut für Physik III der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-24844, E-Mail: efetov@tp3.rub.de

Dr. Hendrik Meier, Lehrstuhl für Theoretische Festkörperphysik, Institut für Physik III der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-23744, E-Mail: hmeier@tp3.rub.de

Redaktion: Dr. Julia Weiler

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Das anwachsende Ende der Ordnung
27.03.2017 | Universität Konstanz

nachricht In einem Quantenrennen ist jeder Gewinner und Verlierer zugleich
27.03.2017 | Universität Wien

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: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

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...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

Zweites Symposium 4SMARTS zeigt Potenziale aktiver, intelligenter und adaptiver Systeme

27.03.2017 | Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fließender Übergang zwischen Design und Simulation

27.03.2017 | HANNOVER MESSE

Industrial Data Space macht neue Geschäftsmodelle möglich

27.03.2017 | HANNOVER MESSE

Neue Sicherheitstechnik ermöglicht Teamarbeit

27.03.2017 | HANNOVER MESSE