Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wissenschaftler beleuchten den „anderen Hochtemperatur-Supraleiter“

14.08.2017

Eine von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) geleitete Studie zeigt, dass Supraleitung und Ladungsdichtewellen in Verbindungen der wenig untersuchten Familie der Bismutate koexistieren können.

Diese Beobachtung eröffnet neue Perspektiven für ein vertieftes Verständnis des Phänomens der Hochtemperatur-Supraleitung, ein Thema, welches die Forschung der Festkörperphysik seit mehr als 30 Jahren dominiert. Die Studie von Nicoletti et al wurde im PNAS veröffentlicht.


Intensiver Laserpulse (hellblaue Welle) regen eine Bismutatverbindung an, in der Ladungsdichtewellen (links) mit Supraleitung (rechts) koexistieren.

Jörg Harms, MPSD

Seit dem Beginn des 20. Jahrhunderts ist Supraleitung zunächst in einigen Metallen bei Temperaturen, die nur wenig über dem absoluten Nullpunkt (-273° C) liegen, beobachtet worden. Erst in den 1980ern gelang es Physikern, neue keramik-basierte Verbindungen zu synthetisieren, die fähig waren, Strom ohne jeglichen Verlust bei Temperaturen bis zu 138 K (-135° C) zu leiten. Diese wurden Hochtemperatur-Supraleiter genannt.

Die bekanntesten und meisterforschten Hochtemperatur-Supraleiter sind Kuprate (Kupferoxid-Verbindungen), welche die höchsten Sprungtemperaturen besitzen (d.h. die Temperatur, unter welcher Supraleitung möglich ist) und daher hohes Potential für zukünftige Anwendungen bieten. Dennoch existiert eine große Vielfalt anderer Verbindungen, die ebenfalls Supraleitung bei relativ hohen Temperaturen aufzeigen, unter ihnen die kürzlich entdeckten Eisenpniktide.

Noch fehlt eine allgemeine Theorie, welches es ermöglicht, die Physik hinter dem Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung zu beschreiben. Trotzdem ist fast allen Hochtemperatur-Supraleitern gemeinsam, dass sie die widerstandslose Supraleitung in der Nähe von anderen exotischen Materiezuständen, wie den Ladungsdichtewellen, entwickeln.

All diese Materialien können von einer Phase in die andere gelenkt werden und möglicherweise kann Supraleitung durch chemische Dotierung, externen Druck oder Magnetfelder erreicht werden. Noch existiert jedoch kein genaues Verständnis der subtilen Wechselbeziehung dieser Phasen und in einigen Fällen gibt es Beweise, dass die Ladungsdichtewellen und Supraleitung sogar mikroskopisch koexistieren können.

Vor diesem Hintergrund haben Experimente, in denen die Materialien mit ultrakurzen, intensiven Laserpulsen stimuliert wurden (bis zu ein paar hundert Femtosekunden), neue Erkenntnisse der Physik dieser Systeme erbracht. Die Gruppe von(?) Andrea Cavalleri am MPSD in Hamburg hat beispielsweise schon gezeigt, dass mithilfe solcher Pulse die Ladungsdichtewellen in einigen Kupratverbindungen zerstört und dadurch Supraleitung bei höheren Temperaturen – möglicherweise bis zu Raumtemperatur - erreicht werden kann. (Siehe Artikel von W. Hu, Nature Materials, 13, 705–711 and R. Mankowsky, Nature 516, 71–73, unten angegeben.)

In der jetzigen Studie untersuchten Nicoletti, Cavalleri et al verschiedene Verbindungen aus der wenig erforschten Familie der Bismutate. Diese Supraleiter wurden in den 1970ern entdeckt, noch vor den Kupraten, aber aufgrund ihrer weit niedrigeren Sprungtemperaturen (circa 30 K) wurde ihnen weniger Aufmerksamkeit geschenkt. Sie besitzen viele Gemeinsamkeiten mit, aber auch viele Unterschiede zu den bekannteren Systemen. Insbesondere die Basisverbindung BaBiO(3) besitzt eine robuste Ladungsdichtewelle, aus der Supraleitung durch chemische Dotierung, d.h. durch die Ersetzung von Wismut durch andere Atome, entsteht.

Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Probenkristalle der Zusammensetzung BaPb(1-x)BixO(3), d.h. mit unterschiedlicher zugesetzter Blei- (Pb) Konzentration “x”, wurden von Ian R. Fisher und P. Giraldo-Gallo an der Stanford Universität in Kalifornien, USA, hergestellt.

Die Forscher in Hamburg führten Experimente an diesen Kristallen durch, in denen sie diese Kristalle mit sehr kurzen und intensiven Laserpulsen anregten. Sie maßen, wie sich ihre Leitungsfähigkeit übergangsweise veränderte und innerhalb weniger Pikosekunden zu den Ausgangswerten zurückkehrte. Durch die Analyse der Abhängigkeit dieses Signals nach Frequenz, Temperatur und Bleikonzentration konnten sie es eindeutig mit einer durch das Laserfeld verursachte Veränderung der Ladungsdichtewellen verbinden.

„Bemerkenswerterweise,“ sagt Nicoletti, „konnten wir diese Reaktion nicht nur in der Basisverbindung BaBiO(3) messen, wo die Existenz einer Ladungsdichtewelle bekannt ist, sondern auch in der bleidotierten, supraleitenden Verbindung. Dieses Ergebnis ist ein indirekter Beweis der Koexistenz von Ladungsdichtewellen und Supraleitung in demselben Material, ein Zustand der in dieser Materialfamilie bisher diskutiert aber nie nachgewiesen worden ist.“

Die Wissenschaftler konnten außerdem die Energieskalen, die mit der Veränderung der Ladungsdichtewellen verbunden waren, genau bestimmen und so neue Informationen über das dynamische Wechselspiel mit der Supraleitung in den Bismutaten liefern.

Diese Ergebnisse sind besonders wichtig, da kürzlich Ladungsdichtewellen in mehreren Kupratsupraleitern gefunden wurden, was auf eine überraschende Gemeinsamkeit zwischen einigen Aspekten dieser Materialien hinweist. Das jetzige Experiment ist ein weiteres Beispiel, wie Licht zur Untersuchung, Kontrolle und Manipulation von Materialien genutzt werden kann. Ein letztendliches Ziel dieses Forschungsbereichs ist es, eine Art von Rezept für die Entwicklung neuer Materialien zu entwerfen, um neue Funktionalitäten bei zunehmend höheren Temperaturen zu entwickeln.

Die Studie wurde vom ERC Synergy Grant „Frontiers in Quantum Materials’ Control“ (Q-MAC), dem Hamburg Centre for Ultrafast Imaging (CUI) und dem Prioritätsprogramm SFB925 der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt. Die Experimente wurden in den Laboren des Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ausgeführt – einer Kooperation des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg. Die Studie wurde in enger Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Stanford University, California, USA, zusammengestellt.

Weitere Informationen:

https://dx.doi.org/10.1073/pnas.1707079114 - Artikel zur Studie (PNAS)
http://www.mpsd.mpg.de/116013/1412-vibes-for-superc-cavalleri - Superconductivity without cooling (2014)
http://www.mpsd.mpg.de/84292/2014-05-hint-for-sc-at-room-temperature - A first hint for superconductivity at room temperature (2014)

Jenny Witt | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Reisetauglicher Laser
22.01.2018 | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

nachricht Magnetische Kontrolle per Handzeichen: Team entwickelt elektronische „Haut“ für virtuelle Realität
22.01.2018 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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: Vollmond-Dreierlei am 31. Januar 2018

Am 31. Januar 2018 fallen zum ersten Mal seit dem 30. Dezember 1982 "Supermond" (ein Vollmond in Erdnähe), "Blutmond" (eine totale Mondfinsternis) und "Blue Moon" (ein zweiter Vollmond im Kalendermonat) zusammen - Beobachter im deutschen Sprachraum verpassen allerdings die sichtbaren Phasen der Mondfinsternis.

Nach den letzten drei Vollmonden am 4. November 2017, 3. Dezember 2017 und 2. Januar 2018 ist auch der bevorstehende Vollmond am 31. Januar 2018 ein...

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...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

Veranstaltungen

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

22.01.2018 | Veranstaltungen

Transferkonferenz Digitalisierung und Innovation

22.01.2018 | Veranstaltungen

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

15. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

22.01.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Forschungsteam schafft neue Möglichkeiten für Medizin und Materialwissenschaft

22.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

Ein Haus mit zwei Gesichtern

22.01.2018 | Architektur Bauwesen

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics