Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wechselspiel von elektronischem Magnetismus, Kernspins und Supraleitung

01.02.2016

Nichtklassische Supraleitung hat ein internationales Forscherteam bei extrem tiefen Temperaturen in einer intermetallischen Verbindung aus Ytterbium, Rhodium und Silizium entdeckt. Am Projekt waren Physiker der Technischen Universität München (TUM), des Walther-Meißner Instituts der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Garching, des Max-Planck Instituts für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden, der Rice University (Houston, USA) und der Renmin University (Beijing, China) beteiligt.

Supraleiter transportieren Strom völlig ohne Widerstand und sind daher technisch von höchstem Interesse. Während es für die klassische Supraleitung eine physikalische Erklärung gibt, ist bisher nicht klar, wie sie in Hochtemperatur-Supraleitern zustande kommt. Weltweit suchen daher Forscher nach Modellen und Mustern, die dieses Phänomen erklären können und sie dem Fernziel, der Supraleitung bei Raumtemperatur, näher bringen.


Unter dem Mikroskop leuchtet der Anschliff einer Probe der intermetallischen Verbindung aus Ytterbium, Rhodium und Silizium (YbRh2Si2) golden. Eine Einheit auf der eingeblendeten Skala entspricht 0,1

Foto: Marc Tippmann / TUM


Prof. Dr. Erwin Schuberth (TUM) und Dr. Marc Tippmann (TUM) am Hochleistungskryostaten im Walther-Meißner-Institut

Bild: Andreas Battenberg / TUM

Forscher eines internationalen Teams um Erwin Schuberth, Professor an der TU München und am Walther-Meißner-Institut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, Professor Frank Steglich, Direktor am Max-Planck-Institut für Chemische Physik Fester Stoffe in Dresden sowie Qimiao Si, Professor an der Rice University in Houston (USA) und Professor Rong Yu von der Renmin University in Peking haben nun einen Mechanismus entdeckt, der in einer Verbindung aus Ytterbium, Rhodium und Silizium bei sehr niedrigen Temperaturen Supraleitung entstehen lässt.

Im Land der „schweren Elektronen“

Im Gegensatz zu Neutronen und Protonen, den Kernbausteinen, sind Elektronen extrem leicht. Sie gehören zur Teilchenklasse der Fermionen. In speziellen Materialien und unter bestimmten Bedingungen verhalten sie sich jedoch, als wären sie Tausend mal schwerer. Die von den Wissenschaftlern untersuchte Verbindung aus Ytterbium, Rhodium und Silizium (YbRh2Si2) ist ein typischer Vertreter dieser „Heavy Fermion“-Systeme genannten Materialien.

„Es gibt bereits überzeugende Beweise, dass die nichtklassische Supraleitung sowohl in kupferbasierten als auch in eisenbasierten Hochtemperatur-Supraleitern in enger Verbindung mit Quantenfluktuationen steht. Diese verändern die magnetische Ordnung der Materialien an ‚quantenkritischen Punkten’, Schwellenwerten am Übergang von einer Quantenphase in eine andere", sagt Qimiao Si. „Diese Arbeit liefert den ersten Beweis, dass ähnliche Prozesse in „Heavy Fermion“-Systemen Supraleitung bewirken."

Ultra-tiefe Temperaturen

In der Arbeitsgruppe von Frank Steglich werden „Heavy-Fermion“-Systeme wie das Ytterbium-Rhodium-Silicid schon seit mehr als 15 Jahren intensiv untersucht. In früheren Untersuchungen wurden Quantenfluktuationen durch ein äußeres Magnetfeld erreicht, das jedoch einen Übergang zur Supraleitung verhinderte.

Für ihre neuen Versuche nutzten die Wissenschaftler einen Kernentmagnetisierungs-Kryostaten des Walther-Meißner-Instituts in Garching. Dieses Gerät kann Proben bis zu einer Temperatur von 400 Millionstel Kelvin hinab kühlen. Bei einer Übergangstemperatur von zwei Millikelvin wurden die Proben plötzlich supraleitend.

Bei Messungen der spezifischen Wärme erkannten die Autoren überrascht, dass die effektive Masse der Ladungsträger ihrer Legierung um einen weiteren Faktor 1000 anzusteigen schien, wenn man das Material zu Temperaturen unterhalb des supraleitenden Übergangs kühlte. „Das zeigt klar, dass im Bereich ultra-tiefer Temperaturen Wechselwirkungen mit den Kernspins der umgebenden Atomkerne am Werk sind “, sagt Erwin Schuberth. „Sie bilden eine magnetische Ordnung aus, die Supraleitung möglich macht.“

Kernspins arrangieren sich neu

Die Messergebnisse wurden von den Theoretikern Qimiao Si und Rong Yu analysiert. Sie fanden, dass ein spezielles Arrangement der Kernspins des Ytterbiums die Voraussetzung für die Supraleitung ist. Nach ihrer Theorie koppeln die Kernspins bei extrem tiefen Temperaturen untereinander und ordnen sich in einer Art und Weise, die mit der antiferromagnetischen elektronischen Ordnung konkurriert und diese entscheidend abschwächt. Auf diese Weise kommen die elektronischen „quantenkritischen“ Fluktuationen zum Tragen, die treibenden Kräfte für die Supraleitung.

„Die Arbeit zeigt, dass das Entstehen nichtklassischer Supraleitung in der Nähe antiferromagnetischer Instabilitäten ein allgemeines Phänomen ist“, sagt Frank Steglich. „Es ist nicht beschränkt auf die Kuprate und organischen Supraleiter sondern tritt auch in den Heavy-Fermion-Materialien auf, Modellsubstanzen für Quantenmaterie mit extrem starken elektronischen Korrelationen.“

Die Forschungsarbeiten wurden unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der Robert A. Welch Foundation und der National Science Foundation (NSF).

Publikation:

Emergence of superconductivity in the canonical heavy-electron metal YbRh2Si2
Erwin Schuberth, Marc Tippmann, Lucia Steinke, Stefan Lausberg, Alexander Steppke, Manuel Brando, Cornelius Krellner, Christoph Geibel, Rong Yu, Qimiao Si, Frank Steglich; Science, 29.01.2016 – DOI: 10.1126/science.aaa973

Kontakt:

Prof. Dr. Erwin Schuberth
Technische Universität München
Lehrstuhl für Technische Physik (E23)
Walther-Meißner-Str. 8, 85748 Garching, Germany
E-Mail: eschuber@ph.tum.de

Weitere Informationen:

http://science.sciencemag.org/content/351/6272/485
http://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/kurz/article/32897/

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Gleichstrom für die Fabrik der Zukunft
06.12.2019 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

nachricht Bis zu 30 Prozent mehr Kapazität für Lithium-Ionen-Akkus
05.12.2019 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Virenvermehrung in 3D

Vaccinia-Viren dienen als Impfstoff gegen menschliche Pockenerkrankungen und als Basis neuer Krebstherapien. Zwei Studien liefern jetzt faszinierende Einblicke in deren ungewöhnliche Vermehrungsstrategie auf atomarer Ebene.

Damit Viren sich vermehren können, benötigen sie in der Regel die Unterstützung der von ihnen befallenen Zellen. Nur in deren Zellkern finden sie die...

Im Focus: Virus multiplication in 3D

Vaccinia viruses serve as a vaccine against human smallpox and as the basis of new cancer therapies. Two studies now provide fascinating insights into their unusual propagation strategy at the atomic level.

For viruses to multiply, they usually need the support of the cells they infect. In many cases, only in their host’s nucleus can they find the machines,...

Im Focus: Cheers! Maxwell's electromagnetism extended to smaller scales

More than one hundred and fifty years have passed since the publication of James Clerk Maxwell's "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field" (1865). What would our lives be without this publication?

It is difficult to imagine, as this treatise revolutionized our fundamental understanding of electric fields, magnetic fields, and light. The twenty original...

Im Focus: Hochgeladenes Ion bahnt den Weg zu neuer Physik

In einer experimentell-theoretischen Gemeinschaftsarbeit hat am Heidelberger MPI für Kernphysik ein internationales Physiker-Team erstmals eine Orbitalkreuzung im hochgeladenen Ion Pr9+ nachgewiesen. Mittels einer Elektronenstrahl-Ionenfalle haben sie optische Spektren aufgenommen und anhand von Atomstrukturrechnungen analysiert. Ein hierfür erwarteter Übergang von nHz-Breite wurde identifiziert und seine Energie mit hoher Präzision bestimmt. Die Theorie sagt für diese „Uhrenlinie“ eine sehr große Empfindlichkeit auf neue Physik und zugleich eine extrem geringe Anfälligkeit gegenüber externen Störungen voraus, was sie zu einem einzigartigen Kandidaten zukünftiger Präzisionsstudien macht.

Laserspektroskopie neutraler Atome und einfach geladener Ionen hat während der vergangenen Jahrzehnte Dank einer Serie technologischer Fortschritte eine...

Im Focus: Highly charged ion paves the way towards new physics

In a joint experimental and theoretical work performed at the Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics, an international team of physicists detected for the first time an orbital crossing in the highly charged ion Pr⁹⁺. Optical spectra were recorded employing an electron beam ion trap and analysed with the aid of atomic structure calculations. A proposed nHz-wide transition has been identified and its energy was determined with high precision. Theory predicts a very high sensitivity to new physics and extremely low susceptibility to external perturbations for this “clock line” making it a unique candidate for proposed precision studies.

Laser spectroscopy of neutral atoms and singly charged ions has reached astonishing precision by merit of a chain of technological advances during the past...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Analyse internationaler Finanzmärkte

10.12.2019 | Veranstaltungen

QURATOR 2020 – weltweit erste Konferenz für Kuratierungstechnologien

04.12.2019 | Veranstaltungen

Die Zukunft der Arbeit

03.12.2019 | Veranstaltungen

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

Fraunhofer IPT und Ericsson starten mit 5G-Industry Campus Europe größtes industrielles 5G-Forschungsnetz Europas

13.12.2019 | Informationstechnologie

Virenvermehrung in 3D

13.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

Dem Feind auf der Spur: Neuer Algorithmus erkennt sogar kleinste Krebsmetastasen im ganzen Mauskörper

13.12.2019 | Biowissenschaften Chemie

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