Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neutronenstreu-Experiment klärt wichtige Streitfrage zur Hochtemperatur-Supraleitung

01.08.2014

Weltweit versuchen Wissenschaftler, das Phänomen des verlustlosen Stromtransports durch Hochtemperatur-Supraleiter zu verstehen.

Materialien, die diesen Effekt auch bei Raumtemperatur zeigen, hätten ein riesiges technisches Potenzial. Änderungen in der Symmetrie der elektromagnetischen Phasen von Hochtemperatur-Supraleitern nahe der Sprungtemperatur wurden kürzlich kleinsten Verunreinigungen zugeschrieben. Ein internationales Wissenschaftlerteam fand nun heraus, dass diese Änderungen allein der Dynamik der Elektronenspins zuzuschreiben sind und nicht auf einem Dotierungseffekt beruhen.


Dr. Jitae Park am Dreiachsen-Spektrometer PUMA

Volker Lannert / DAAD

Unterhalb ihrer Sprungtemperatur transportieren Supraleiter elektrischen Strom nahezu verlustfrei. Bei den besten der sogenannten Hochtemperatur-Supraleitern liegt diese Temperatur bei etwa -180 ºC. Temperaturen, die schon durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff erzielt werden können.

Wo sich in einem Kristall Atomkerne und Bindungselektronen aufhalten, legt die Kristallstruktur fest. Die Elektronen besitzen aber darüber hinaus noch einen elektromagnetischen Drehimpuls, den sogenannten Spin. Durch die Kopplung vieler Spins können sich in einem Kristall elektromagnetische Bereiche mit einer Vorzugsrichtung ausbilden, sogenannte nematische Phasen. In diesen sehen viele Wissenschaftler einen Schlüssel zum Verständnis des Phänomens der Hochtemperatur-Supraleitung.

Spin-Dynamik oder Dotierungseffekt?

Eine Gruppe von Wissenschaftlern hatte bei Untersuchungen mit einem Rastertunnelmikroskop kleinste Verunreinigungen entdeckt. Sie vermuteten daher, dass diese für die Ausbildung der nematischen Phasen verantwortlich seien – ähnlich wie bei Silizium, das erst durch Dotierung mit kleinsten Verunreinigungen leitfähig wird.

Dass dem nicht so ist, sondern ein ganz anderer Effekt zugrunde liegt, zeigten nun Dr. Jitae Park, Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und seine Kollegen vom Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics und aus dem Department of Physics and Astronomy der Rice University in Houston/Texas.

Mit dem Dreiachsenspektrometer PUMA im Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching untersuchten sie Proben eines eisenhaltigen Hochtemperatur-Supraleiters bei verschiedenen Temperaturen und unter Zugabe einer winzigen Menge Nickel. Dabei stellten sie fest, dass das Auftreten der nematischen Phase in keiner direkten Beziehung zur „Verunreinigung“ durch Nickel steht.

Sehr stark abhängig ist das Entstehen der nematischen Phasen dagegen von kollektiven Veränderungen der Spins der Elektronen. Sie entstehen deutlich oberhalb der Sprungtemperatur, bei der die Supraleitung einsetzt. In dem Augenblick, in dem die Supraleitung ihr Maximum erreicht, verschwinden die nematischen Phasen vollständig.

„Mit unserem Experiment haben wir gezeigt, dass die Hochtemperatursupraleitung nicht auf einem Dotierungseffekt beruht, sondern Ausdruck einer sich sprunghaft ändernden Vorzugsrichtung der Elektronenbewegung ist“, sagt Jitae Park, der das Experiment an der Forschungs-Neutronenquelle (FRM II) der TU München durchführte. „Damit kann sich die Forschung in Zukunft auf die Beziehung zwischen der Spin-Dynamik in nematischen Phasen und der Hochtemperatur-Supraleitung konzentrieren zu finden.“

Effizientes Versuchsdesign

Streuuntersuchungen zum Magnetismus sind extrem aufwändig, denn sie erfordern meist zahlreiche Experimente an verschiedenen Neutronenquellen weltweit, um vollständige Daten zu erhalten. In diesem Fall entstanden die Messdaten durch eine Serie, geschickt entworfener Experimente in der Rekordzeit von nur vier Wochen am Instrument PUMA.

Eine besondere Herausforderung war das Experiment darüber hinaus, weil die Forscher nur sehr kleine Kristalle einsetzen konnten. Als Untersuchungsmaterial wählten die Wissenschaftler ein Eisenpniktid, einer Verbindung aus Eisen, Barium und Arsen, dem sie geringe Mengen an Nickel zusetzten. Dieses Material bildet aber unter Normalbedingungen Zwillingskristalle, an denen nematische Phasen nicht zu messen gewesen wären.

„Zwar lässt sich die Zwillingsbildung durch Druck verhindern“, sagt Jitae Park, „doch dadurch konnten wir nur sehr kleine Kristalle verwenden.“ Weil die Garchinger Forschungs-Neutronenquelle über einen sehr hohen Neutronenfluss verfügt, entschlossen sich die Wissenschaftler daher das Experiment am FRM II durchzuführen.

Gefördert wurden die Arbeiten durch die chinesische Akademie der Wissenschaften, das chinesische Ministerium für Wissenschaft und Technologie, die National Natural Science Foundation of China (NSFC), die National Science Foundation der USA, die Robert A. Welch Foundation und die Alexander von Humboldt Stiftung.

Publikation:

Nematic spin correlations in the tetragonal state of uniaxial strained BaFe2−xNixAs2;
Xingye Lu, J. T. Park, Rui Zhang, Huiqian Luo, Andriy H. Nevidomskyy, Qimiao Si, and Pengcheng Dai; Science Express, July 31, 2014

Weitere Informationen:

http://www.mlz-garching.de/instrumente/spektroskopie/puma.html Website des Dreiachsen-Spektrometers PUMA

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie