Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nature Physics: „Lang ersehnte Begründung“ für mysteriöse Effekte in Hochtemperatursupraleitern

04.06.2013
Ein deutsch-französisches Forscherteam hat ein neues Modell aufgestellt, das erklärt, wie sich in Hochtemperatursupraleitern der sogenannte „Pseudogap“-Zustand bildet.

Die Berechnungen sagen zwei gleichzeitig existierende Elektronenordnungen voraus. Supraleiter verlieren ab einer bestimmten Temperatur ihren elektrischen Widerstand und können Strom verlustfrei leiten.


An jedem Kupferatom (graue Kugeln) liegt ein Quadrupolmoment vor; in der Summe bilden diese eine Art Schachbrettmuster, wobei sich die einzelnen Quadrate des Schachbretts in der Ausrichtung der positiv und negativ geladenen Bereiche unterscheiden (grün: positive Bereiche links und rechts; grau: positive Bereiche oben und unten). An den Grenzen zwischen grünen und grauen Flächen findet ein Vorzeichenwechsel statt. Grenznahe Kupferatome weisen ein kleineres Quadrupolmoment auf als Kupferatome in der Mitte der Flächen. Konstantin Efetov und Hendrik Meier (Institut für Theoretische Physik III)

Die neue „Pseudogap“-Theorie könnte auch die lang ersehnte Begründung liefern, warum bestimmte keramische Kupferoxidverbindungen im Gegensatz zu herkömmlichen metallischen Supraleitern bei so ungewöhnlich hohen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verlieren.

Zwei Ordnungssysteme für Elektronen
„Lang ersehnte Begründung“ für mysteriöse Effekte in Hochtemperatursupraleitern
Bochumer und Pariser Physiker berichten in „Nature Physics“

Ein deutsch-französisches Forscherteam hat ein neues Modell aufgestellt, das erklärt, wie sich in Hochtemperatursupraleitern der sogenannte „Pseudogap“-Zustand bildet. Die Berechnungen sagen zwei gleichzeitig existierende Elektronenordnungen voraus. Supraleiter verlieren ab einer bestimmten Temperatur ihren elektrischen Widerstand und können Strom verlustfrei leiten.
„Es ist nicht auszuschließen, dass die neue ‚Pseudogap‘-Theorie auch die lang ersehnte Begründung liefert, warum bestimmte keramische Kupferoxidverbindungen im Gegensatz zu herkömmlichen metallischen Supraleitern bei so ungewöhnlich hohen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verlieren“, sagen Prof. Dr. Konstantin Efetov und Dr. Hendrik Meier vom Lehrstuhl für Theoretische Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum. Die Erkenntnisse erzielten sie in enger Kooperation mit Dr. Catherine Pépin vom Institut für Theoretische Physik in Saclay bei Paris. Das Team berichtet in der Zeitschrift „Nature Physics“.

Sprungtemperatur bei keramischen Supraleitern deutlich höher als bei metallischen

Supraleitung tritt nur bei sehr niedrigen Temperaturen unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur auf; in metallischen Supraleitern liegt diese nahe dem absoluten Nullpunkt von 0 Grad Kelvin; das entspricht etwa -273 Grad Celsius. Kristalline Keramikmaterialien können jedoch bei Temperaturen bis zu 138 Grad Kelvin supraleitend sein. Forscher rätseln seit 25 Jahren, was die physikalischen Grundlagen dieser Hochtemperatursupraleitung sind.

„Pseudogap“: Energielücke oberhalb der Sprungtemperatur

Im supraleitenden Zustand wandern Elektronen zu zweit in sogenannten Cooper-Paaren durch das Kristallgitter eines Materials. Um ein Cooper-Paar aufzubrechen, sodass zwei freie Elektronen entstehen, braucht es eine bestimmte Energiemenge. Dieser Unterschied in der Energie der Cooper-Elektronen und der freien Elektronen wird Energielücke genannt. In supraleitenden Kupferoxidverbindungen, den Cupraten, tritt eine ähnliche Energielücke unter bestimmten Umständen auch oberhalb der Sprungtemperatur auf – das „Pseudogap“ oder die Pseudoenergielücke. Kennzeichnend für das „Pseudogap“ ist, dass die Energielücke nur von Elektronen mit bestimmten Geschwindigkeitsrichtungen wahrgenommen wird. Das Modell des deutsch-französischen Teams erlaubt jetzt neue Einblicke in das physikalische Innenleben des „Pseudogap“-Zustands.

Zwei konkurrierende Elektronenordnungen im „Pseudogap“-Zustand

Laut Modell beinhaltet der „Pseudogap“-Zustand gleichzeitig zwei Elektronenordnungen: die d-Wellen-Supraleitung, bei der die Elektronen eines Cooper-Paares in einer Kleeblattform umeinander kreisen, und eine Quadrupoldichtewelle. Bei letzterer handelt es sich um eine spezielle elektrostatische Struktur, bei der an jedem Kupferatom im zweidimensionalen Kristallgitter ein Quadrupolmoment vorliegt – also zwei gegenüberliegende Bereiche negativer Ladung und zwei gegenüberliegende Bereiche positiver Ladung. d-Wellen-Supraleitung und Quadrupoldichtewelle konkurrieren im „Pseudogap“-Zustand miteinander. Aufgrund thermischer Fluktuationen kann sich keine der beiden Ordnungen durchsetzen. Kühlt man das System jedoch ab, werden die thermischen Fluktuationen schwächer und eine der beiden Ordnungen gewinnt die Oberhand: die Supraleitung. Die kritische Temperatur, bei der das passiert, kann in dem Modell wesentlich höher sein als die Sprungtemperatur von konventionellen metallischen Supraleitern. Das Modell könnte somit erklären, warum die Sprungtemperatur in den keramischen Supraleitern so viel höher liegt.

Cuprate

Hochtemperatursupraleiter auf Kupferoxidbasis werden auch Cuprate genannt. Zusätzlich zu Kupfer und Sauerstoff können sie zum Beispiel die Elemente Yttrium und Barium enthalten (YBa2Cu3O7). Damit das Material supraleitend wird, bringen Forscher “positive Löcher“, also Elektronenfehlstellen, in das Kristallgitter ein. Durch diese können die Elektronen in Cooper-Paaren „fließen“. Man spricht von Lochdotierung. Der „Pseudogap“-Zustand stellt sich nur ein, wenn das Cuprat weder zu wenig noch zu stark lochdotiert ist.

Titelaufnahme

K.B. Efetov, H. Meier, C. Pépin (2013): Pseudogap state near a quantum critical point, Nature Physics, DOI: 10.1038/NPHYS2641

Weitere Informationen

Prof. Dr. Konstantin Efetov, Lehrstuhl für Theoretische Festkörperphysik, Institut für Physik III der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-24844, E-Mail: efetov@tp3.rub.de

Dr. Hendrik Meier, Lehrstuhl für Theoretische Festkörperphysik, Institut für Physik III der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-23744, E-Mail: hmeier@tp3.rub.de

Redaktion: Dr. Julia Weiler

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.ruhr-uni-bochum.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Tanz mit dem Feind
12.12.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Bose-Einstein-Kondensate können Gravitationswellen derzeit wohl kaum nachweisen
12.12.2018 | 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: Quantenkryptographie ist bereit für das Netz

Wiener Quantenforscher der ÖAW realisierten in Zusammenarbeit mit dem AIT erstmals ein quantenphysikalisch verschlüsseltes Netzwerk zwischen vier aktiven Teilnehmern. Diesen wissenschaftlichen Durchbruch würdigt das Fachjournal „Nature“ nun mit einer Cover-Story.

Alice und Bob bekommen Gesellschaft: Bisher fand quantenkryptographisch verschlüsselte Kommunikation primär zwischen zwei aktiven Teilnehmern, zumeist Alice...

Im Focus: An energy-efficient way to stay warm: Sew high-tech heating patches to your clothes

Personal patches could reduce energy waste in buildings, Rutgers-led study says

What if, instead of turning up the thermostat, you could warm up with high-tech, flexible patches sewn into your clothes - while significantly reducing your...

Im Focus: Tödliche Kombination: Medikamenten-Cocktail dreht Krebszellen den Saft ab

Zusammen mit einem Blutdrucksenker hemmt ein häufig verwendetes Diabetes-Medikament gezielt das Krebswachstum – dies haben Forschende am Biozentrum der Universität Basel vor zwei Jahren entdeckt. In einer Folgestudie, die kürzlich in «Cell Reports» veröffentlicht wurde, berichten die Wissenschaftler nun, dass dieser Medikamenten-Cocktail die Energieversorgung von Krebszellen kappt und sie dadurch abtötet.

Das oft verschriebene Diabetes-Medikament Metformin senkt nicht nur den Blutzuckerspiegel, sondern hat auch eine krebshemmende Wirkung. Jedoch ist die gängige...

Im Focus: Lethal combination: Drug cocktail turns off the juice to cancer cells

A widely used diabetes medication combined with an antihypertensive drug specifically inhibits tumor growth – this was discovered by researchers from the University of Basel’s Biozentrum two years ago. In a follow-up study, recently published in “Cell Reports”, the scientists report that this drug cocktail induces cancer cell death by switching off their energy supply.

The widely used anti-diabetes drug metformin not only reduces blood sugar but also has an anti-cancer effect. However, the metformin dose commonly used in the...

Im Focus: New Foldable Drone Flies through Narrow Holes in Rescue Missions

A research team from the University of Zurich has developed a new drone that can retract its propeller arms in flight and make itself small to fit through narrow gaps and holes. This is particularly useful when searching for victims of natural disasters.

Inspecting a damaged building after an earthquake or during a fire is exactly the kind of job that human rescuers would like drones to do for them. A flying...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Konferenz zu Usability und künstlicher Intelligenz an der Universität Mannheim

13.12.2018 | Veranstaltungen

Show Time für digitale Medizin-Innovationen

13.12.2018 | Veranstaltungen

ICTM Conference 2019 in Aachen: Digitalisierung als Zukunftstrend für den Turbomaschinenbau

12.12.2018 | Veranstaltungen

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

Quantenkryptographie ist bereit für das Netz

13.12.2018 | Informationstechnologie

Cyber-Schutz für Stromtankstellen

13.12.2018 | Informationstechnologie

Gold-Recycling

13.12.2018 | Biowissenschaften Chemie

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