22. August 2007, Neue Zürcher Zeitung
 

Wo Isolatoren zum idealen Stromleiter werden

Supraleitung in der Grenzschicht zwischen zwei Oxiden

Supraleiter, in denen der elektrische Strom unterhalb einer gewissen Temperatur verlustfrei fliesst, können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden. Dass jedoch ausgerechnet dann ein Supraleiter entstehen sollte, wenn man zwei Isolatoren in denen per Definition kein Strom fliesst miteinander in Kontakt bringt, klingt gelinde gesagt unwahrscheinlich. Nun aber haben Forscher aus der Schweiz, Deutschland und den USA gezeigt, dass in der Kontaktfläche zweier nichtleitender Metalloxide bei sehr tiefen Temperaturen tatsächlich Supraleitung auftritt. [1] Sie untersuchten dazu Kristalle aus Strontiumtitanat, auf die dünne Schichten aus Lanthanaluminat aufgedampft worden waren. Diese Schichten setzten den Strontiumtitanat-Kristall fehlerfrei fort und bestanden jeweils aus 15, 8 oder 2 molekularen Kristall-Lagen, wie Untersuchungen mit dem Elektronenmikroskop zeigten.

Woher kommen die Elektronen?

Dass in der Kontaktfläche dieser beiden Metalloxide ungewöhnliche Dinge vorgehen, hatte man schon vor vier Jahren bei Untersuchungen in den Bell Laboratories in Murray Hill, New Jersey, entdeckt. Obwohl beide Oxide hervorragende Isolatoren sind, die keine frei beweglichen Elektronen enthalten, floss längs ihrer Kontaktfläche ein elektrischer Strom genau wie in einem Metall. Wie später entdeckt wurde, musste die Lanthanaluminat-Schicht dazu allerdings mindestens 4 Kristall-Lagen dick sein. Doch woher rührte dieser Strom? Die Forscher erklärten sich dies wie folgt: Weil die Lanthanaluminat-Schichten eine starke elektrische Polarität aufweisen, tritt zwischen deren negativer Ober- und positiver Unterseite eine elektrische Spannung auf, die mit jeder Kristall-Lage um etwa drei Volt zunimmt. Bei 4 Lagen wird die Spannung so gross, dass Elektronen von der Ober- zur Unterseite der Schicht wandern und sich an der Kontaktfläche zum Strontiumtitanat sammeln. Dort entsteht ein zwei Nanometer dünnes, praktisch zweidimensionales Gas von frei beweglichen Elektronen.

In vielen nichtmagnetischen Metallen wie etwa Aluminium schliessen sich solche frei beweglichen Elektronen bei sehr tiefen Temperaturen zu sogenannten «Cooper-Paaren» zusammen. So können sie sich ungehindert zwischen den Atomrümpfen bewegen: Es kommt zur Supraleitung. Die Forscher der Universitäten Genf, Augsburg und der Cornell University untersuchten nun, ob genau dies auch im zweidimensionalen Elektronengas zwischen zwei Oxidschichten passieren würde. Und tatsächlich: Als sie die Proben mit 8 oder 15 Lanthanaluminat-Lagen auf etwa 0,1 Kelvin (zirka 273 Grad Celsius) abkühlten, sank der elektrische Widerstand längs der Kontaktfläche auf null, die Elektronen flossen praktisch verlustfrei. Die Probe mit nur 2 Lanthanaluminat-Lagen blieb dagegen nichtleitend.

Zwischen drei Zuständen schaltbar

Im Gegensatz zu normalen dreidimensionalen Supraleitern, bei denen der Übergang in den supraleitenden Zustand bei einer exakt bestimmten Temperatur stattfindet, zeigt der jetzt gefundene Supraleiter einen «unscharfen» Übergang. Dies stimmt mit den theoretischen Vorhersagen für solche quasi zweidimensionalen Systeme überein. Überrascht wurden die Forscher aber davon, dass der neu entdeckte Supraleiter durchsichtig ist. Dafür ist die relativ geringe Elektronendichte im zweidimensionalen Elektronengas verantwortlich. Sie ermöglicht es auch, die Grenzschicht durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Zuständen «Isolator», «Metall» und «Supraleiter» hin und her zu schalten. Dies liesse sich möglicherweise für elektronische Bauteile nutzen. Zwar ist die Temperatur, bei der die zweidimensionale Supraleitung auftritt, für praktische Anwendungen noch zu tief. Durch eine Veränderung des Sauerstoffgehalts der Oxide könnte sich dies laut den Forschern aber ändern lassen.

Rainer Scharf

[1] Science-Express, Online-Publikation vom 2. August 2005 (http://dx.doi.org/10.1126/science.1146006).
 
 

Diesen Artikel finden Sie auf NZZ Online unter: http://www.nzz.ch/nachrichten/wissenschaft/wo_isolatoren_zum_idealen_stromleiter_werden_1.544108.html

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