Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Supraleitung und Magnetismus - Von Rivalen zu Partnern

12.09.2008
Die wilde Quantenwelt produziert Zustände, die in der klassischen Physiklehre nicht vorgesehen sind. Ein erstaunlicher neuartiger Zustand wird in der heutigen Ausgabe des Magazins "Science" von einem internationalen Wissenschaftlerteam um den Physiker Michel Kenzelmann vom Paul Scherrer Institut vorgestellt.

Die Experimente wurden an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle (SINQ) des Paul Scherrer Instituts PSI durchgeführt. Mit dem Neutronenstrahl der SINQ ist es möglich auf mikroskopischer Ebene die inneren Eigenschaften von Materialien zu untersuchen, ohne sie dabei zu zerstören. Mit dieser Methode lassen sich Vorgänge beobachten, die sonst mit keiner anderen Technik zu sehen sind.

In Zer-Kobalt-Indium verbrüdern sich Supraleitung und Magnetismus

Dem Forscherteam gelang eine überraschende Entdeckung. Sie stellten fest, dass das untersuchte Material sich magnetisch ordnet, aber nur solange es supraleitend ist. Dieses Ergebnis ist verblüffend, da diese beiden Phänome normalerweise miteinander konkurrieren und sich in einem Material gegenseitig zu verdrängen suchen, hier aber offenbar nur gemeinsam existieren können.

Wechselwirkung zwischen Magnetismus und Supraleitung

In elektrischen Leitern wird Strom von Elektronen transportiert. Dabei kommt es zu einem Verlust von Energie, sobald die Elektronen mit den positiven Kristallionen des Leiters zusammenstossen und dadurch von ihrer optimalen Bahn abgelenkt werden. Der verlustfreie Transport von Strom in Supraleitern beruht darauf, dass sich die Elektronen bei tiefen Temperaturen zu sogenannten "Cooper-Paaren" zusammenschliessen. Diese Elektronenpaare haben ganz andere Eigenschaften als einzelne Elektronen und verhalten sich völlig anders; sie gehen in einen neuen Quantenzustand über. Dieser Zustand erlaubt den Cooper-Paaren, sich gegenseitig "abzusprechen" um Zusammenstösse zu vermeiden. Dadurch ist ein verlustfreier Stromtransport möglich.

Elektronen besitzen ein magnetisches Moment, das man sich wie eine Art Kompassnadel vorstellen muss. In einem Cooper-Paar zeigen die "Kompassnadeln" der beiden Elektronen generell immer in die exakt gegenüberliegende Richtung und heben ihren Magnetismus dadurch auf. Wird in diesem supraleitenden Zustand ein Magnetfeld angelegt geraten die magnetischen Momente des Elektronenpaars in Bedrängnis. Dies geschieht einerseits dadurch, dass das Magnetfeld Ströme induziert, die die Cooper-Paare aufbrechen und andererseits auch weil das Magnetfeld seine magnetische Ordnung auf die magnetischen Momente des Cooper-Paares überträgt. Gelingt dies dem Magnetfeld löst sich das Cooper-Paar auf und der elektrische Leiter verliert seinen supraleitenden Zustand. Auf diese Art rivalisieren magnetische Ordnung und Supraleitung in vielen Materialien um die Vorherrschaft.

Laut Kenzelmann, Wissenschaftler am PSI und Professor an der ETH Zürich, schliessen magnetische Ordnung und Supraleitung sich zwar nicht immer gegenseitig aus, dulden sich aber höchstens. "Supraleitung und magnetische Ordnung verhalten sich in allen bisher bekannten Materialen wie zwei Rivalen, die um dasselbe Revier kämpfen und den jeweils anderen auszuschalten suchen."

Supraleitung induziert magnetische Ordnung

In ihrem Experiment kühlten die Forscher einen Einkristall bestehend aus den Elementen Zer, Kobalt und Indium (CeCoIn5) auf auf minus 273,1 Grad Celsius ab. Bei derartig tiefen Temperaturen hören alle atomaren Bewegungen des Kristalls auf und die durchfliessenden Elektronen können sich zu sich zu Cooper-Paaren zusammenschliessen. Dadurch wird der supraleitende, elektrisch widerstandsfreie Zustand erreicht, der es ermöglicht, den Strom verlustfrei zu transportieren. Anschliessend wurde das Material magnetischen Feldern ausgesetzt.

Dabei haben die Forscher festgestellt, dass bei hohen magnetischen Feldern ein neuartiger supraleitender Zustand auftritt, der von magnetischer Ordnung begleitet und nicht zerstört wird. Zwar hat man die Koexistenz von magnetischer Ordnung und Supraleitung schon in anderen Fällen beobachtet. Der neue Aspekt in dieser Zer-Verbindung ist jedoch die Tatsache, dass die magnetische Ordnung nur während der supraleitenden Phase auftritt und zusammen mit dieser bei noch höheren magnetischen Feldern im Wesentlichen wieder spurlos verschwindet. Diese Beobachtung legt nahe, dass hier überraschenderweise der Magnetismus von der Supraleitung begünstigt und stabilisiert wird.

"Unsere Ergebnisse zeigen ganz eindeutig, dass die Supraleitung für das Entstehen dieses Magnetismus entscheidend ist. Die Studie wird helfen genauer zu verstehen, wie sich die Elektronenpaare in magnetischen Supraleitern überhaupt bilden. Wir hoffen, dass dieses Wissen dann zukünftig für technologische Anwendungen genutzt werden kann", erklärt Kenzelmann.

Literaturhinweis:
M. Kenzelmann et al.;Coupled Superconducting and Magnetic Order in CeCoIn5; Science, Vol 321, 12 Sept. 2008
Für weitere Auskünfte:
Prof. Dr. Michel Kenzelmann,
Labor für Methoden und Entwicklung,
Paul Scherrer Insitut,
Telefon +41 (0)56 310 53 81,
michel.kenzelmann@psi.ch

Dagmar Baroke | idw
Weitere Informationen:
http://www.psi.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Forschung in Rekordzeit zum Planeten TRAPPIST-1h
23.05.2017 | Universität Bern

nachricht Tumult im trägen Elektronen-Dasein
23.05.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

Branchentreff für IT-Entscheider - Rittal Praxistage IT in Stuttgart und München

22.05.2017 | Veranstaltungen

Flugzeugreifen – Ähnlich wie PKW-/LKW-Reifen oder ganz verschieden?

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Tumult im trägen Elektronen-Dasein

23.05.2017 | Physik Astronomie

Forschung in Rekordzeit zum Planeten TRAPPIST-1h

23.05.2017 | Physik Astronomie

Premiere einer verblüffenden Technik

23.05.2017 | Medizintechnik