28. September, Neue Zürcher Zeitung
 

Unkonventionelle Supraleiter und ihre Parallelen

Was bindet die Elektronen zu Cooper-Paaren?

Die Welt der Supraleiter ist vielfältiger, als man denkt. Neben den Tieftemperatursupraleitern kennt man heute verschiedene Klassen von unkonventionellen Supraleitern. Ihnen ist gemein, dass der Magnetismus eine wichtige Rolle zu spielen scheint.


Computermodell des Hochtemperatursupraleiters Yttrium-Barium-Kupferoxid. Die Supraleitung findet in den gelb markierten Kupferoxid-Ebenen statt. (Bild IBM Rüschlikon)

Seit der Entdeckung der Supraleitung vor fast 100 Jahren lässt dieses Phänomen den Physikern keine Ruhe. Im Jahre 1911 hatte der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes den elektrischen Widerstand von Quecksilber gemessen, das langsam auf tiefste Temperaturen abgekühlt wurde. Entgegen der damaligen Erwartung verringerte sich der Widerstand mit abnehmender Temperatur nicht stetig, sondern er verschwand plötzlich bei etwa 4,2 Kelvin (also 4,2 Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt von -273,1 Grad Celsius). Bei dieser sogenannten Sprungtemperatur wurde das Quecksilber supraleitend: Der elektrische Strom begann widerstandslos zu fliessen.

Die Sprungtemperatur macht Sprünge

Wie man heute weiss, stellt Quecksilber keinen Einzelfall dar. Zahlreiche metallische Elemente und Legierungen werden supraleitend, wenn man sie auf einige Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt abkühlt. Eine neue Wendung nahmen die Dinge, als Georg Bednorz und Alex Müller 1986 am IBM-Forschungslabor in Rüschlikon den ersten Hochtemperatursupraleiter entdeckten. Die Verbindung Lanthan-Barium-Kupferoxid - ein sogenanntes Cuprat - besass eine Sprungtemperatur von 35 Kelvin. Inzwischen hat man zahlreiche andere Cuprate hergestellt, die Sprungtemperaturen von bis zu 133 Kelvin und unter hohem Druck sogar von über 160 Kelvin aufweisen. Ob damit das Ende der Fahnenstange erreicht ist oder ob sogar Verbindungen vorstellbar sind, die den Strom noch bei Raumtemperatur verlustlos leiten, ist unklar. Denn bis heute fehlt eine Theorie, die das Phänomen der Hochtemperatursupraleiter erklären könnte.

Auch das Verhalten der gewöhnlichen (Tieftemperatur-)Supraleiter war lange Zeit ein Rätsel. Erst 1957 konnten die amerikanischen Physiker John Bardeen, Leon Cooper und Robert Schrieffer erklären, warum die Elektronen unterhalb der Sprungtemperatur keinen elektrischen Widerstand spüren. Laut der BCS-Theorie (benannt nach den Initialen der drei Physiker) bilden sie bei dieser Temperatur sogenannte Cooper-Paare, wobei die beiden Elektronen eines Paares sowohl ihre Impulse als auch ihre Spins aufeinander abstimmen. Im einfachsten Falle zeigen die Spins in entgegengesetzte Richtungen, und die Cooper- Paare haben eine kugelsymmetrische Wellenfunktion.

Anders als die Elektronen, die sich normalerweise meiden, sind die Cooper-Paare gesellige Objekte, die unterhalb der Sprungtemperatur alle dieselbe Wellenfunktion annehmen. Diese erstreckt sich so weit, dass jedes Cooper-Paar von Millionen anderen Cooper-Paaren durchdrungen und stabilisiert wird. In ihrer Gesamtheit bilden die Cooper-Paare ein supraleitendes Kondensat, das äusserst robust gegen die Störungen ist, die in einem normal leitenden Metall den elektrischen Widerstand verursachen. Erst wenn man das Metall über seine Sprungtemperatur hinaus erwärmt, brechen die Cooper-Paare auf, und aus dem Supraleiter wird wieder ein normaler Leiter mit Widerstand.

Was aber hält die Elektronen trotz gegenseitiger elektrischer Abstossung in den Cooper-Paaren zusammen? Bei den metallischen Tieftemperatursupraleitern werden diese Anziehungskräfte durch die Schwingungen des Kristallgitters verursacht. Wenn sich ein negativ geladenes Elektron durch das Gitter bewegt, zieht es die positiven Atomrümpfe in der Nähe seiner Bahn vorübergehend an. Es entsteht eine positive Ladungskonzentration, die wegen der Trägheit der Atome noch fortbesteht, nachdem sich das Elektron bereits weiterbewegt hat. Ein anderes Elektron mit passendem Impuls wird von der positiven Ladung angezogen. Ist diese Anziehungskraft stärker als die elektrische Abstossung der Elektronen, so bilden sich Cooper-Paare. Auf diese Weise kann die BCS- Theorie die Supraleitung vieler Metalle und Legierungen sehr gut erklären.

Die Grenzen der herkömmlichen Paarung

Wie man heute weiss, beruht auch die Hochtemperatursupraleitung auf der Bildung von Cooper-Paaren. Die deutlich höheren Sprungtemperaturen der Cuprate lassen sich theoretisch allerdings nur erklären, wenn die Elektronen sehr viel stärker aneinander gebunden sind als in einem Tieftemperatursupraleiter. Wie diese Paarung zustande kommt, ist bis heute umstritten. Doch so viel steht fest: Zwischen der herkömmlichen Supraleitung und der Hochtemperatursupraleitung der Cuprate bestehen gewichtige Unterschiede. So hatten Chang Tsuei und seine Kollegen vom IBM-Forschungslabor in Yorktown Heights 1996 nachgewiesen, dass die Cooper- Paare des Cuprats Thallium-Barium-Kupferoxid eine andere Symmetrie besitzen als die Cooper- Paare der gewöhnlichen Supraleiter - mit dem Resultat, dass die Supraleitung bevorzugt in bestimmten Richtungen in den Kupferoxidschichten der Cuprate erfolgt.

Angesichts solcher Unterschiede besteht heute weitgehender Konsens darüber, dass die Hochtemperatursupraleitung neue Erklärungsansätze notwendig macht. In den Hochtemperatursupraleitern seien die Gitterkräfte nicht stark genug, um eine feste Bindung zwischen den Elektronen zustande zu bringen, erklärt Bernhard Keimer vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart. Er und seine Kollegen haben in der Vergangenheit untersucht, welche Rolle die Elektronenspins bei der Hochtemperatursupraleitung spielen. Als Sonde benutzten die Forscher Neutronenstrahlen. Die elektrisch ungeladenen Neutronen tragen ebenfalls einen Spin, der mit den Elektronenspins in den Cupraten wechselwirkt und dadurch Anregungen dieser Spins sichtbar machen kann. Bei diesen Experimenten wurden Hinweise gefunden, dass die Elektronen in den Cupraten durch magnetische Kräfte zusammengehalten werden.

Diesen Paarungsmechanismus kann man sich wie folgt vorstellen: Zwei Elektronen, die sich in einem magnetisierbaren Medium bewegen, können nicht nur über ihre elektrische Ladung, sondern auch über ihren Spin in Wechselwirkung treten. Die Spins der Elektronen polarisieren das Medium und regen seine Magnetisierung zu stark gedämpften Schwingungen an. Dadurch kann sich die Energie der beiden Elektronen verringern, was eine anziehende Kraft zur Folge hat. Wenn das Cuprat hinreichend kalt ist, verbinden sich die Elektronen zu einem Cooper-Paar. Während bei den herkömmlichen Supraleitern die Cooper-Paare umgehend ein supraleitendes Kondensat bilden, ist die Sache bei den Hochtemperatursupraleitern komplizierter, meint Gianni Blatter von der ETH Zürich. Die Cooper-Paare kondensieren erst in einem zweiten Schritt, nachdem man das Cuprat weiter abgekühlt hat. Eine ähnliche zweistufige Kondensation beobachtet man auch bei kalten atomaren Gasen, deren Atome einen halbzahligen Spin besitzen.

Andere unkonventionelle Supraleiter

Die «magnetische Theorie» der Hochtemperatursupraleitung wird nicht von allen Forschern akzeptiert. Die Kritiker weisen darauf hin, dass diese Theorie längst nicht alle Besonderheiten der Cuprate erklären kann. Allerdings kennt man inzwischen auch andere unkonventionelle Supraleiter, bei denen eine magnetische Kopplung der Elektronen vorzuliegen scheint. Schon 1979 beobachtete Frank Steglich, heute Direktor des Max-Planck-Instituts für chemische Physik fester Stoffe in Dresden, Supraleitung bei einer Cer- Kupfer-Silizium-Verbindung. Diese Substanz ist ein sogenanntes Schwere-Fermionen-Metall. In solchen Metallen haben die frei beweglichen Ladungen eine Masse, die hundert- oder sogar tausendmal grösser als die Elektronenmasse zu sein scheint, obwohl sie ganz gewöhnliche Elektronen sind.

Der Grund für die Massenzunahme liegt darin, dass die Leitungselektronen mit den unbeweglichen Elektronen in den Atomrümpfen wechselwirken und dadurch an Beweglichkeit einbüssen. Diese «schweren Elektronen» bewegen sich deshalb viel langsamer durch das Atomgitter als die Leitungselektronen herkömmlicher Supraleiter, erklärt Peter Thalmeier vom MPI in Dresden. Die Elektronen können deshalb nicht den von ihnen angeregten Gitterschwingungen entfliehen und eine positive Raumladung hinter sich lassen, die andere Elektronen anzieht - die Cooper-Paare müssen deshalb auf andere Weise entstehen.

Dass magnetische Fluktuationen eine wichtige Rolle bei der Supraleitung der Schwere-Fermionen-Verbindungen spielen, ist heute weitgehend akzeptiert. Allerdings scheint es daneben noch einen weiteren Kopplungsmechanismus zu geben, der sich unter hohen Drücken manifestiert. Wie Steglich vor zwei Jahren bei Experimenten mit der Cer-Kupfer-Silizium-Verbindung feststellte, kommt es unter diesen Bedingungen zu Ladungsfluktuationen im Kristallgitter, die eine elektrische Kopplung zwischen den «schweren Elektronen» vermitteln. Man hofft nun, dass eine genauere Untersuchung dieser beiden Kopplungsmechanismen zu einem tieferen Verständnis der Hochtemperatursupraleitung führen könnte. Aus diesem Grund sind Schwere-Fermionen-Verbindungen zu einem heissen Arbeitsgebiet geworden.

Mittlerweile kennt man etwa 20 Schwere-Fermionen-Metalle, die supraleitend werden können - allerdings nur bei sehr tiefen Temperaturen unterhalb von 2 Kelvin. Der doch recht deutliche Unterschied zu den Sprungtemperaturen der Hochtemperatursupraleiter hat in der Vergangenheit die Frage aufgeworfen, wie weit die Parallelen zwischen den unkonventionellen Supraleitern reichen. Kürzlich hat man jedoch am Los Alamos National Laboratory ein Bindeglied zwischen den beiden Gruppen gefunden: die Plutonium-Verbindung PuCoGa5, die einerseits dieselbe Kristallstruktur hat wie der Schwere-Fermionen- Supraleiter CeCoIn5, andererseits eine wesentlich höhere Sprungtemperatur von 18,5 Kelvin aufweist. PuCoGa5 könnte damit zu einem Kontinuum von Supraleitern gehören, das sich zwischen den Schwere-Fermionen- und den Hochtemperatursupraleitern erstreckt.

Supraleitung und Magnetismus im Duett

Aufschluss über die Rolle des Magnetismus bei der Supraleitung verspricht man sich auch von einer weiteren Klasse von unkonventionellen Supraleitern, den ferromagnetischen Supraleitern. Dazu gehören Uranverbindungen (etwa UGe2 und URhGe), die mit den Schwere-Fermionen- Metallen verwandt sind. Während die Supraleitung in Tief- und Hochtemperatursupraleitern durch ein hinreichend starkes Magnetfeld unterdrückt wird, können Magnetismus und Supraleitung in ferromagnetischen Supraleitern friedlich nebeneinander koexistieren. Der tiefere Grund hierfür ist, dass die Spins der zu einem Cooper-Paar gekoppelten Elektronen in dieselbe Richtung weisen. Das macht ferromagnetische Supraleiter resistenter gegen die Wirkung einer vorliegenden Magnetisierung, erklärt Manfred Sigrist von der ETH Zürich.

Mit einem sehr starken Magnetfeld kann man die Cooper-Paare schliesslich aber doch auseinander reissen. Wie Andrew Huxley und seine Kollegen vom Hochfeldlabor in Grenoble kürzlich gezeigt haben, kann es dabei allerdings Überraschungen geben. Die Forscher setzten den ferromagnetischen Supraleiter URhGe einem starken Magnetfeld aus und beobachteten, dass die Supraleitung bei einer Feldstärke von 2 Tesla zusammenbrach. Bei einer Feldstärke von etwa 10 Tesla wurde die Verbindung allerdings wieder supraleitend. Dahinter könnte ein sogenannter Quantenphasenübergang stecken.

Phasenübergänge wie das Schmelzen von Eis oder die Entmagnetisierung eines Ferromagneten bei Erhitzen werden durch die Wärmebewegung der Atome verursacht. Diese führt dazu, dass bei einer bestimmten Temperatur ein Aggregatzustand instabil wird und sich in einen anderen umwandelt. Quantenphasenübergänge beruhen hingegen auf der quantenmechanischen Nullpunktsbewegung der Atome und Elektronen, die selbst am absoluten Temperaturnullpunkt nicht zum Erliegen kommt. Solche Phasenübergänge können etwa durch Änderung des Drucks oder des Magnetfeldes ausgelöst werden. Da Quantenphasenübergänge auch schon bei endlichen Temperaturen das Verhalten einer Substanz beeinflussen können, hofft man, mit ihrer Hilfe systematisch neue unkonventionelle Supraleiter aufzustöbern, die möglicherweise auch ein neues Licht auf die Hochtemperatursupraleitung werfen könnten.

Rainer Scharf
 


Diesen Artikel finden Sie auf NZZ Online unter: http://www.nzz.ch/2005/09/28/ft/articleD609Z.html

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