Unkonventionelle Supraleitung

Elektronen-Orbitale sind maßgeblich beteiligt

Hochtemperatursupraleiter sind für die Technik von großer Bedeutung. Supraleiter leiten Strom ohne Verlust, ein Phänomen, das bereits 1911 bei sehr tiefen Temperaturen entdeckt wurde. Aber erst in den 1980er Jahren rückte die wirtschaftliche Anwendung mit der Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter auf Kupferoxidbasis in greifbare Nähe und löste damit einen regelrechten Boom auf diesem Forschungsgebiet aus.

Trotzdem ist der genaue Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung bis heute weder in diesen noch in den eisenbasierten Hochtemperatursupraleitern verstanden. Man nimmt allerdings an, dass das Wechselspiel von Magnetismus und Supraleitung von zentraler Bedeutung ist, was erstaunlich ist, da sich konventionelle Supraleitung und Magnetismus normalerweise ausschließen. Unter anderem deswegen nennt man die Hochtemperatursupraleitung auch unkonventionell. Kölner Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen haben nun anhand einer Cer-Verbindung herausgefunden, dass die Form der Elektronen-Orbitale von Bedeutung bei der Ausbildung entweder magnetischer oder supraleitender Eigenschaften ist.

Die Arbeitsgruppe von Dr. Andrea Severing am II. Physikalischen Institut der Universität zu Köln arbeitete dabei zusammen mit Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen vom Max-Planck Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden, dem Los Alamos National Laboratory in den USA und der Hiroshima University in Japan. Der Artikel „Correlation between ground state and orbital anisotropy in heavy fermion materials” ist nun in den “Proceedings of the National Academy of Sciences” erschienen.

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Die Physiker und Physikerinnen fanden heraus, dass die Form der besetzten Elektronen-Orbitale, die sogenannte Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Cer-Elektronen, in einem engen Verhältnis zu dem jeweiligen Grundzustand steht: Flachere Orbitale korrelieren mit magnetischer Ordnung, während ausgedehntere Orbitale in Supraleitern zu finden sind. Diese ausgedehnteren Orbitale können stärker mit anderen Elektronen vermischen (hybridisieren) und tragen dadurch zur elektrischen Leitung bei. Die Atomabstände spielen hierbei nur eine unterordnete Rolle. Eine solche Korrelation hatte man theoretisch seit längerem vermutet, sie konnte aber erst jetzt experimentell dank polarisierter Röntgenabsorptionsmessungen am Europäischen Synchrotron (ESRF) in Grenoble, Frankreich nachgewiesen werden.

Die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen untersuchten dafür das Modellsystem einer Schwere-Fermionen-Verbindung. Die sind leitende Materialien, in denen sich die Ladungsträger so bewegen, als ob sie die 1000-fache Masse eines freien Elektrons hätten. Starke Wechselwirkungen der Elektronen untereinander sind dafür verantwortlich. Man findet das Schwere-Fermionen-Phänomen in vielen Festkörpern, die magnetische Selten-Erd-Atome wie Cer (Ce) oder Ytterbium (Yb) enthalten. Viele dieser Schwere-Fermionen-Verbindungen zeigen unkonventionelle Supraleitung – so wie die Hochtemperatursupraleiter. Daher, versteht man diese Materialien, kann dies auch zu wichtigen Erkenntnissen für die Mechanismen in den Hochtemperatursupraleitern führen.

Die Schwere-Fermionen-Verbindungen wie die im Versuch verwendeten weisen je nach Übergangselement supraleitende oder magnetisch geordnete Grundzustände auf oder werden sogar zu Hochtemperatursupraleitern, wenn Cer durch Plutonium ersetzt wird. Diese Verbindungen gelten daher als viel versprechende Modelsysteme bei der Suche nach Parametern, die mit der Ausbildung eines magnetischen oder supraleitenden Grundzustands korrelieren.

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