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Supraleiter mit zwei Energielücken

Hohe Grenztemperatur bei Magnesiumborid / Atomstruktur als Ursache

Von Rainer Scharf

Als japanische Physiker im vergangenen Jahr entdeckten, daß Magnesiumborid schon bei einer Abkühlung auf 39 Kelvin supraleitend wird, sorgten sie unter ihren Fachkollegen für eine Sensation. Supraleitung bei einer so hohen Temperatur hatte dieser simplen Substanz niemand zugetraut. Die Suche nach neuen Materialien, die bei noch höheren Temperaturen supraleitend sind, hat durch diese Entdeckung starken Antrieb bekommen. Inzwischen haben Hunderte von Experimenten gezeigt, daß Magnesiumborid ein recht ungewöhnlicher Supraleiter ist. Forscher in Kalifornien glauben jetzt, die Eigenschaften dieser Substanz erklären zu können.

Wie in anderen Supraleitern, so fließt auch in Magnesiumborid der elektrische Strom bei tiefen Temperaturen völlig widerstandslos: Die Elektronen schließen sich zu sogenannten Cooper-Paaren zusammen, die sich im Gegensatz zu einzelnen Elektronen ungestört zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen umherbewegen. Dabei verbiegen die negativ geladenen Elektronen das positive Atomgitter so, daß zwischen den Elektronen eines Cooper-Paares eine schwache Anziehungskraft wirkt. Nur wenn man den Cooper-Paaren eine bestimmte Mindestenergie etwa in Form von Wärme zuführt, brechen die Paare auseinander, und die Supraleitung verschwindet. Diese Mindestenergie, die den supraleitenden vom normalleitenden Zustand trennt, bezeichnet man als Energielücke.

Je größer die Energielücke ist, desto höher ist die Temperatur, bei der ein Material seine supraleitenden Eigenschaften verliert. Bei Messungen der Energielücke von Supraleitern hatte man bisher stets eindeutige Ergebnisse erhalten. Doch beim Magnesiumborid ergaben sich weit auseinander liegende Werte. Es stellte sich die Frage, ob die Messungen ungenau waren oder das Magnesiumborid überhaupt keine klar umrissene Energielücke besitzt. In diesem Fall wären seine Eigenschaften nicht durch die gängige Theorie der Supraleitung zu erklären. Die Forscher um Marvin Cohen und Steven Louie vom Lawrence Berkeley Laboratory in Kalifornien haben nun herausgefunden, was es mit den scheinbar widersprüchlichen Meßergebnissen auf sich hat.

Da Magnesiumborid eine einfache atomare Struktur hat, konnten die Wissenschaftler seine supraleitenden Eigenschaften mit dem Computer berechnen. Dabei fanden sie heraus, daß die Substanz zwei deutlich voneinander verschiedene Energielücken besitzt ("Nature", Bd. 418, S. 758). Der Grund dafür liegt in der atomaren Struktur des Magnesiumborids. Die Boratome bilden Ebenen, in denen sie sich zu einem Bienenwabenmuster anordnen. Zwischen den Ebenen liegen die Magnesiumatome. Bewegen sich die Elektronen in einer der Ebenen, so wirken starke Anziehungskräfte zwischen ihnen, und es ergibt sich eine große Energielücke. Dies erklärt auch die ungewöhnlich hohe Temperatur von 39 Kelvin, bei der Magnesiumborid noch supraleitend ist. Wesentlich schwächer ziehen die Elektronen einander an, wenn sie sich senkrecht zu den Ebenen der Boratome bewegen. Eine wesentlich kleinere Energielücke ist die Folge.

Diese Ergebnisse sprechen dafür, daß man die ungewöhnlichen Eigenschaften des Magnesiumborids mit der gängigen Theorie verstehen kann. Das unterscheidet diese Substanz von den normalen Hochtemperatur-Supraleitern, für die es auch sechzehn Jahre nach ihrer Entdeckung noch keine befriedigende Theorie gibt. Andererseits ist das Magnesiumborid "exotisch" genug, die Phantasie der Forscher zu beflügeln. So hofft man, daß andere Metallboride vielleicht bei noch wesentlich höheren Temperaturen supraleitend sind und sich ihre elektrischen Eigenschaften zum Beispiel in verlustlosen Stromkabeln und elektronischen Geräten nutzen lassen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 21.08.2002, Nr. 193 / Seite N1

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