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Supraleitung trotz starken Magnetfeldes

Überraschendes Verhalten eines organischen Kristalls / Geschichtete Struktur als Erklärung

Von Rainer Scharf

Viele Materialien verlieren jeglichen elektrischen Widerstand, wenn man sie nur stark genug abkühlt. Sie werden supraleitend. Bringt man die Supraleiter nun in ein schwaches Magnetfeld, so verdrängen sie dieses aus ihrem Inneren. Das ist der sogenannte Meißner-Ochsenfeld-Effekt. Wird das Magnetfeld allerdings zu stark, bricht die Supraleitung zusammen. Magnetismus und Supraleitung sind also gewissermaßen Gegenspieler. Um so überraschender ist das Ergebnis eines kürzlich in Japan ausgeführten Experiments, bei dem eine normalerweise metallisch leitende, organische Substanz erst in einem starken Magnetfeld supraleitend geworden ist.

Eine Forschergruppe um Shinya Uji vom Nationalen Metallforschungsinstitut in Tsukuba/Japan stieß auf diesen Effekt, als sie die elektrischen Eigenschaften eines eisenhaltigen Salzes einer organischen Selenafulvalen-Verbindung (BETS) untersuchte ("Nature", Bd. 410, S. 908). Diese Substanz ist eng mit dem ersten organischen Supraleiter verwandt, der 1979 entdeckt wurde. Sie hat eine geschichtete Molekülstruktur. Zwischen den Ebenen, die von den Molekülen gebildet werden, liegen Eisenchlorid-Ionen. Die japanischen Forscher ließen zunächst nadelförmige Einkristalle des Salzes aus einer Lösung wachsen. Dann brachten sie Golddrähte an den Kristallnadeln an, um deren elektrischen Widerstand längs der Molekülebenen zu messen. Dabei stellte sich heraus, daß die Kristalle metallisch waren und den elektrischen Strom gut leiteten. Die Leitungselektronen bewegten sich dabei von einem Molekül zum anderen.

Als man die Kristalle aber unter zehn Kelvin abkühlte, verloren sie ihre elektrische Leitfähigkeit. Zudem wurden sie antiferromagnetisch. Die Elementarmagnete der Eisenatome richteten sich senkrecht zu den Molekülschichten aus, wobei benachbarte Elementarmagnete in entgegengesetzte Richtungen zeigten. Unter dem Einfluß dieser magnetischen Ordnung konnten sich die Elektronen nicht mehr von einem Molekül des Salzes zum nächsten bewegen, und die Kristallnadeln wurden nichtleitend. Mit Hilfe eines starken Magnetfeldes entlang der Molekülebenen zwangen die Forscher die Elementarmagnete der Eisenatome, alle in dieselbe Richtung zu zeigen. Dabei ging die antiferromagnetische Anordnung verloren, und die Kristalle wurden wieder metallisch.

Als die Wissenschaftler die Kristallnadeln auf ein zehntel Kelvin abkühlten und anschließend das Magnetfeld auf eine Stärke von 17 Tesla brachten, was der 500000fachen Stärke des Erdmagnetfeldes entspricht, wurden die Kristalle supraleitend. Der elektrische Strom konnte verlustfrei in ihnen fließen. Je stärker das Magnetfeld war, auf desto höhere Temperaturen konnte man die Kristalle erwärmen, ehe die Supraleitung zusammenbrach. Allerdings trat die Supraleitung stets bei Temperaturen unterhalb von einem Kelvin auf, so daß eine praktische Anwendung der durch starke Magnetfelder hervorgerufenen Supraleitung kaum in Betracht kommt.

Die Wissenschaftler vermuten, daß die Supraleitung in den Schichten mit den Molekülen stattfindet, während das Magnetfeld in diese nicht eindringen kann. Es bleibt in den eisenhaltigen Zwischenschichten eingeklemmt. Hier zerstört das Magnetfeld die antiferromagnetische Ordnung der Elementarmagnete der Eisenatome. Zur Supraleitung kommt es, wenn sich bestimmte Elektronen der Moleküle zu sogenannten Cooper-Paaren zusammenschließen und diese Elektronenpaare sich in ihren Bewegungen abstimmen. Vermutlich helfen die Elementarmagnete der Eisenatome bei der Bildung der Cooper-Paare und damit beim Zustandekommen der Supraleitung. Wie dies geschieht, weiß man noch nicht. Weitere Untersuchungen sollen das ungewöhnliche Wechselspiel zwischen Magnetismus und Supraleitung aufklären. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 30.05.2001, Nr. 124 / Seite N3

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