14. Dezember 2005, Neue Zürcher Zeitung
 

Hochtemperatur-Supraleitung in neuem Licht

Ähnlichkeit zwischen Cupraten und Manganiten

Seit fast 20 Jahren streiten Physiker darüber, wie die Hochtemperatur-Supraleitung zustande kommt. Jetzt hat man eine Eigenschaft, die charakteristisch für Hochtemperatur-Supraleiter zu sein schien, auch bei einem normal leitenden Material beobachtet.

Gewöhnliche Supraleiter und Hochtemperatur- Supraleiter sind sich trotz einigen gravierenden Unterschieden in vielem ähnlich. Alle Supraleiter verlieren unterhalb einer «Sprungtemperatur» abrupt ihren elektrischen Widerstand. Für gewöhnliche Supraleiter geschieht dies knapp über dem absoluten Temperaturnullpunkt von 0 Kelvin (-273,1 Grad Celsius), für Hochtemperatur- Supraleiter kann die Sprungtemperatur bis zu 138 Kelvin betragen. Die Supraleitung kommt dadurch zustande, dass Elektronen «Cooper-Paare» bilden, die unterhalb der Sprungtemperatur alle in einem Zustand kondensieren und sich dadurch reibungsfrei zwischen den Atomrümpfen umherbewegen können.

Bei den gewöhnlichen Supraleitern überwinden die negativ geladenen Elektronen eines Cooper- Paares ihre elektrische Abstossung durch eine indirekte Wechselwirkung, die durch Schwingungen des Kristallgitters - sogenannte Phononen - vermittelt wird. Umstritten ist jedoch, was die Elektronen in den Cooper-Paaren der Hochtemperatur-Supraleiter zusammenhält. Sind es ebenfalls Phononen oder aber magnetische Wechselwirkungen? Dieser seit 20 Jahren tobende Streit hat nun durch eine Publikation in der Fachzeitschrift «Nature» neue Nahrung erhalten. Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Zhi- Xun Shen von der Stanford University hat in einem normal leitenden Material eine Eigenschaft beobachtet, die man eigentlich nur bei einem Hochtemperatur-Supraleiter erwartet hätte.

Eine der Methoden zur Untersuchung der Elektronen in Supraleitern ist die Winkel-aufgelöste Photoemissions-Spektroskopie. Bei dieser Methode wird die Probe mit kurzwelligem Licht bestrahlt und werden die Energie sowie die Flugrichtung der von den Photonen aus dem Material herausgeschlagenen Elektronen analysiert. Im supraleitenden Zustand müssen die Photonen eine bestimmte Mindestenergie haben, um Cooper-Paare aufzubrechen und Elektronen freizusetzen. Erwärmt man einen gewöhnlichen Supraleiter über seine Sprungtemperatur, so verschwindet diese Energielücke: Die Cooper-Paare zerbrechen von selbst, und das Material wird normal leitend. Anders bei den Hochtemperatur-Supraleitern: Bei diesen Materialien hatte Shen schon 1997 Indizien dafür gefunden, dass die (richtungsabhängige) Energielücke auch oberhalb der Sprungtemperatur bestehen bleibt. Dieser «Pseudogap» galt seither als charakteristische Eigenschaft der Hochtemperatur-Supraleiter.

Doch jetzt haben Shen und seine Mitarbeiter auch für den Manganit Lanthan-Strontium-Manganoxid einen Pseudogap beobachtet. Dieses magnetische Material ist kein Supraleiter. Es besitzt vielmehr einen ungewöhnlich grossen elektrischen Widerstand, der darauf beruht, dass die Elektronen mit den Gitterschwingungen wechselwirken und dadurch eine polarisierte Ladungswolke mitschleppen. Da dies die Bewegung der Elektronen behindert, ist der elektrische Widerstand relativ gross. Kühlt man das Material jedoch unter eine Temperatur von 120 Kelvin ab, so wird es ferromagnetisch, wobei sich sein elektrischer Widerstand enorm verringert. In diesem Zustand sollten sich die Elektronen wie in einem Metall nahezu frei durch das Kristallgitter bewegen. Wie Shen und seine Mitarbeiter jedoch festgestellt haben, wechselwirken die Elektronen auch im ferromagnetischen Zustand mit dem Kristallgitter. Das gemessene Photoemissions- Spektrum ähnelte dabei auffallend dem des Pseudogaps in Hochtemperatur-Supraleitern. Der Pseudogap scheint somit keine exklusive Eigenschaft der supraleitenden Cuprate zu sein und hat deshalb auch nicht unmittelbar etwas mit der Hochtemperatur-Supraleitung zu tun.

Manche Forscher vermuten nun, dass der Pseudogap auch bei den Hochtemperatur-Supraleitern daher rührt, dass Elektronen und Phononen miteinander wechselwirken und Polaronen - also Elektronen mit Polarisationswolke - bilden. Beim Unterschreiten der Sprungtemperatur, so die Vorstellung, verschwinden diese Polaronen, und es entstehen Cooper-Paare. Sollten tatsächlich Polaronen in den Cupraten auftreten, so stellt sich erneut die Frage, welche Rolle die Phononen bei der Hochtemperatur-Supraleitung spielen. Einige Forscher wollen bei Photoemissions-Experimenten mit Hochtemperatur-Supraleitern Hinweise darauf gefunden haben, dass Phononen die Geschwindigkeit der herausgeschlagenen Elektronen verändern. Doch zum einen ist unklar, ob diese Elektronen aus Cooper-Paaren stammen. Zum anderen könnten auch magnetische Kräfte die Energieänderung bewirken. Die Diskussion über die Ursache der Hochtemperatur-Supraleitung geht also weiter.

Rainer Scharf

Quelle: Nature 438, 435; 474-478 (2005).
 


Diesen Artikel finden Sie auf NZZ Online unter: http://www.nzz.ch/2005/12/14/ft/articleDE8G3.html

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