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 Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | 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: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie