Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Oszillierende Kurven bringen Theorien ins Wanken

03.11.2009
Im Hochfeld-Magnetlabor Dresden am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) stehen höchste Magnetfelder für die Materialforschung zur Verfügung.

Physiker vom Walther-Meißner-Institut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (Garching) entdeckten hier mit äußerst präzisen Messungen bisher unbekannte metallische Eigenschaften von Hochtemperatur-Supraleitern. Die vor kurzem in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" vorgestellten Ergebnisse riefen in kurzer Zeit ein großes Echo in der Fachwelt hervor.

Das Hochfeld-Magnetlabor Dresden stellt mit großer Verlässlichkeit höchste gepulste Magnetfelder bis 70 Tesla für die Forschung zur Verfügung und hat sich damit einen Namen bei Wissenschaftlern aus aller Welt gemacht. Dieses Mal kamen die Messgäste aus dem bayerischen Garching. Die Gruppe von Prof. Rudolf Gross brachte bestens präparierte Materialproben eines komplex aufgebauten Kuprats - das ist eine Verbindung aus Kupfer, Sauerstoff und anderen Elementen - nach Dresden mit, um endlich die widersprüchlichen theoretischen Vorstellungen zu Hochtemperatur-Supraleitern zu bestätigen oder zu widerlegen.

Die Fachwelt hat auf diese Messungen rund 20 Jahre gewartet, denn hohe Magnetfelder jenseits von 60 Tesla in Kombination mit ausgefeilten Untersuchungstechniken an hervorragend ausgestatteten Laborplätzen existieren europaweit erst seit kurzem in Dresden.

Solch hohe Magnetfelder sind, gerade wenn es um Hochtemperatur-Supraleiter geht, unumgänglich, um die Supraleitung bei tiefen Temperaturen unterdrücken und die Materialien im normalleitenden Zustand gründlich untersuchen zu können. Wie vor mehr als 20 Jahren entdeckt, leiten die Substanzen normalerweise schon bei relativ hohen Temperaturen, also in dem gut zugänglichen Bereich von rund -150 bis -200 Grad C°, verlustfrei Strom. Deshalb wird ihnen eine große technologische Zukunft vorhergesagt, doch mangelt es immer noch am Grundverständnis. Ohne dieses aber ist ein gezielter Einsatz der Materialien für neue Hochtechnologien kaum möglich.

Die Physiker aus Garching und Dresden konnten nun dem Grundverständnis von Hochtemperatur-Supraleitern einen besonders wichtigen Baustein hinzufügen. In einer mehrwöchigen Messkampagne setzten sie drei unterschiedliche Kuprat-Proben Magnetfeldern bis zu rund 65 Tesla aus und maßen jeweils den elektrischen Widerstand im Magnetfeld. Heraus kamen wunderbar oszillierende Kurven, die die gängigen Theorien ins Wanken bringen. Doch zunächst muss man wissen, dass Supraleitung bei den Kupraten entsteht, wenn man bestimmte Atome durch andere ersetzt (dotiert). Dabei waren die drei Proben je unterschiedlich dotiert. Während die eine durch die Dotierung optimal supraleitend gemacht wurde, zeigte eine andere die Supraleitung erst bei tieferen Temperaturen. Im Rossendorfer Magnetlabor stellte sich nun heraus, dass sich die Supraleiter im normalleitenden Zustand - also bei unterdrückter Supraleitung - ganz anders verhalten als bisher angenommen. Dieser ungewöhnliche metallische Zustand ist zugleich das grundsätzliche Problem, das es zu verstehen und zu lösen gilt.

Metalle sind üblicherweise leitfähig. Das verdanken sie den freien Elektronen, die mehr oder weniger schnell durch das Kristallgitter hindurchflitzen, dabei aber immer wieder mit anderen Teilchen zusammenstoßen, was zum elektrischen Widerstand führt. Wie schnell die Elektronen in verschiedenen Richtungen durch das Kristallgitter fliegen, wird durch die sogenannte Fermi-Fläche beschrieben. Für die Hochtemperatur-Supraleiter wurde diese übliche Theorie der Metalle in Frage gestellt und vermutet, dass sie weitaus komplexere Eigenschaften haben.

Die Experimente am Hochfeld-Magnetlabor Dresden beweisen jedoch, dass sich Hochtemperatur-Supraleiter durchaus wie Metalle verhalten. Der Beweis: alle untersuchten Proben haben eine Fermi-Fläche. Wohldefinierte Fermi-Flächen, so nahm man bisher an, sollte es für Hochtemperatur-Supraleiter nicht einmal im normalleitenden Zustand, also bei unterdrückter Supraleitung, geben.

Die aktuellen Ergebnisse weisen bei allen Proben zusammenhängende Fermi-Flächen aus, denn alle Messkurven aus Rossendorf zeigen eindeutige "Wackler", also Oszillationen im Magnetfeld. Allerdings ändert sich die Fermi-Fläche in Abhängigkeit von der Dotierung, doch erstaunlicherweise findet man selbst im Bereich der optimalen Dotierung eine kleine Fermi-Fläche. Diese Ergebnisse sind tatsächlich einmalig, denn noch nie zuvor konnten diese Änderungen der Fermi-Flächen bei Hochtemperatur-Supraleitern direkt nachgewiesen werden. Dies wirft ein völlig neues Licht auf die vorherrschenden Theorien zur Natur der Supraleitung in dotierten Hochtemperatur-Supraleitern.

Die sorgfältigen Messungen des magnetischen Widerstands am Hochfeld-Magnetlabor Dresden des FZD erlauben es, Änderungen dieser Messgröße auf besser als 0,02 Prozent zu bestimmen. Erst diese hohe Auflösung erlaubte es, die Oszillationen im Widerstand nachzuweisen. Weitere Messungen sollen folgen, um zu verstehen, warum genau sich die Fermi-Fläche mit der Dotierung ändert und wie genau die metallischen, supraleitenden und magnetischen Eigenschaften voneinander abhängen. Die Physiker erhoffen sich auch Antworten darauf, wie genau die Übergänge zwischen dem normalleitenden und dem supraleitenden Zustand beschaffen sind. Nur so wird es in der Zukunft möglich sein, maßgeschneiderte Hochtemperatur-Supraleiter für den breiten technologischen Einsatz herzustellen.

Veröffentlichung:
T. Helm1, M.V. Kartsovnik1, M. Bartkowiak2, N. Bittner1, M. Lambacher1, A. Erb1, J. Wosnitza2, R. Gross13, "Evolution of the Fermi Surface of the Electron-Doped High-Temperature Superconductor Nd2-xCexCuO4 Revealed by Shubnikov-de Haas Oscillations", in: Phys. Rev. Lett. 103 (2009), 157002. DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.157002.
1) Walther-Meißner-Institut, Bayerische Akademie der Wissenschaften, Garching
2) Hochfeld-Magnetlabor Dresden, Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
3) Physik-Department Technische Universität München
Weitere Informationen:
Prof. Joachim Wosnitza
Institut Hochfeld-Magnetlabor Dresden am FZD
Tel.: 0351 260 - 3524 | E-Mail: j.wosnitza@fzd.de
Dr. Mark Kartsovnik
Walther-Meißner-Institut, Garching
Tel.: 089 289-14223 | E-Mail: mark.kartsovnik@wmi.badw.de
Pressekontakt:
Dr. Christine Bohnet
Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Bautzner Landstr. 400, 01328 Dresden
Tel.: 0351 260 - 2450 oder 0160 969 288 56
E-Mail: presse@fzd.de
Information:
Das Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) hat das Ziel, strategisch und langfristig ausgerichtete Spitzenforschung in politisch und gesellschaftlich relevanten Forschungsthemen wie Energie, Gesundheit, Struktur der Materie und Schlüsseltechnologien zu leisten. Folgende Fragestellungen stehen dabei im Mittelpunkt:
- Wie verhält sich Materie unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
- Wie können Tumorerkrankungen frühzeitig erkannt und wirksam behandelt werden?
- Wie schützt man Mensch und Umwelt vor technischen Risiken?
Diese Fragestellungen werden in strategischen Kooperationen mit Forschungs- und Industriepartnern bearbeitet. Ein weiterer Schwerpunkt ist der Betrieb von sechs einmaligen Großgeräten, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

Das FZD wird als Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft von Bund und Land gefördert, verfügt über ein Budget von mehr als 70 Mio. Euro (2008) und beschäftigt rund 750 Personen.

Dr. Christine Bohnet | idw
Weitere Informationen:
http://www.fzd.de
http://www.wmi.badw.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Maschinelles Lernen im Quantenlabor
19.01.2018 | Universität Innsbruck

nachricht Seltsames Verhalten eines Sterns offenbart Schwarzes Loch, das sich in riesigem Sternhaufen verbirgt
17.01.2018 | 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: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungen

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit dem Betriebsrat von RWG Sozialplan - Zukunftsorientierter Dialog führt zur Einigkeit

19.01.2018 | Unternehmensmeldung

Open Science auf offener See

19.01.2018 | Geowissenschaften

Original bleibt Original - Neues Produktschutzverfahren für KFZ-Kennzeichenschilder

19.01.2018 | Informationstechnologie