Lichtblitz bricht elektrischen Widerstand

  • 14. January 2011

Infrarote Laser-Pulse verwandeln eine Kupferoxid-Keramik in einen Supraleiter.

Ein spezieller Isolator lässt sich durch einen Laserblitz in einen Supraleiter verwandeln, wie Forscher der Max-Planck-Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik an der Universität Hamburg festgestellt haben. Die bestrahlte Keramik leitete bei dem Experiment der Physiker um Andrea Cavalleri den Strom auch noch für kurze Zeit verlustfrei, nachdem das Laserlicht abgeklungen war. Überrascht zeigen sich die Forscher außerdem von der Schnelligkeit, mit der sich der supraleitende Zustand erzeugen ließ. Die Beobachtungen liefern einen Beitrag zum Verständnis von Hochtemperatur-Supraleitern.

Die Kupferoxid-Keramik Lesco1/8 wird supraleitend, wenn sie mit Laser-Pulsen bestrahlt wird. Zu erkennen sind die Streifen abwechselnd nach rechts und links verkippter Strukturelemente und Ordnung der Elektronenspins (violette Pfeile). Der Laserpuls glättet die Struktur der Keramik, so dass diese einen supraleitenden Zustand annimmt. (Bild: Joerg M. Harms, Max Planck Department for Structural Dynamics)

Abb.: Die Kupferoxid-Keramik Lesco1/8 wird supraleitend, wenn sie mit Laser-Pulsen bestrahlt wird. Zu erkennen sind die Streifen abwechselnd nach rechts und links verkippter Strukturelemente und die Ordnung der Elektronenspins (violette Pfeile). Der Laserpuls glättet die Struktur der Keramik, so dass diese einen supraleitenden Zustand annimmt. (Bild: Joerg M. Harms, Max Planck Department for Structural Dynamics)

Bei Hochtemperatur-Supraleitern handelt es sich meist um Kupferoxid-Keramiken. Während supraleitende Metalle ihren elektrischen Widerstand erst verlieren, wenn sie auf wenige Grad über den absoluten Temperaturnullpunkt gekühlt werden, nehmen manche dieser Keramiken den supraleitenden Zustand schon bei einer kritischen Temperatur von etwa minus 100° an. Dieses Verhalten hängt eng mit dem schichtartigen Aufbau der Materialien zusammen, der an einen Stapel Papier erinnert, wobei noch nicht vollständig verstanden ist, warum Hochtemperatur-Supraleiter überhaupt supraleitend werden.

Die Forscher verwendeten für ihre Experimente eine Art von Kupferoxidkristall, bei der sich zwischen den Kupferoxid-Schichten Atome der Elemente Lanthan, Europium und Strontium befinden. Normalerweise hängt die kritische Temperatur dieser Keramiken vom Konzentrationsverhältnis der Elemente Lanthan und Strontium ab. Bei einem bestimmten Konzentrationsverhältnis, nämlich bei der Verbindung La1.675Eu0.2Sr0.125CuO4, kurz LESCO1/8, tritt jedoch selbst bis zu tiefsten Temperaturen keine Supraleitung auf.

Dies hängt vermutlich mit einer Besonderheit im Kristallaufbau von Lesco1/8 zusammen, welche Forscher gestreifte Ordnung nennen: Die Oktaeder, aus denen sich die Schichten von Kupferoxid-Keramiken zusammensetzen, stehen in Lesco1/8 nicht parallel nebeneinander wie in gewöhnlichen Kupferoxid-Keramiken. Vielmehr sind sie so gegeneinander verkippt, dass eine Schicht eher an Wellpappe erinnert als an Papier. Damit ist auch eine gestreifte Ordnung der elektrischen Ladung und der Spins verbunden. Die gestreifte Ordnung verhindert, so die Annahme von theoretischen Physikern, dass unterhalb der kritischen Temperatur Strom zwischen den einzelnen Schichten fließen kann.

In dem Experiment sendetetn die Forscher einen infraroten Laser-Puls auf einen auf minus 263° gekühlten Lesco1/8-Kristall. Die Pulsdauer betrug einige Femtosekunden. Unmittelbar danach haben die Forscher einen Terahertz-Puls auf die Keramik gesendet und gemessen, wie gut dieser reflektiert wird. Anhand des Reflexionsvermögens lässt sich feststellen, ob der Punkt, an dem der Laser auftraf, supraleitend geworden ist. Tatsächlich war dies der Fall.

Dabei zeigte sich, dass sich der supraleitende Zustand nach etwa einer Pikosekunde einstellte. „Die kurze Zeit deutet darauf hin, dass die gestreifte Ordnung bereits die Information über den supraleitenden Zustand in sich berge, ohne jedoch selbst supraleitend zu sein“, so Cavalleri. Der schnelle Übergang in den supraleitenden Zustand sei nicht erklärbar, wenn die Elektronen zuvor ohne jede Synchronisation seien, wie dies im normalleitenden Zustand der Fall sei. Manche theoretischen Physiker argumentieren, in der gestreiften Ordnung fließen bereits supraleitende Ströme, die sich aber gegenseitig neutralisieren.

Die Wissenschaftler nehmen an, dass der Laserpuls dort, wo er in die Keramik eindringt, die gestreifte Ordnung auslöscht, gewissermaßen also die Wellpappe in glatte Pappe umwandelt. Dies ermöglicht, dass der supraleitende Strom zwischen den Schichten fließen kann und somit eine nach außen hin messbare Supraleitung auftritt.

Nachdem der Laserpuls erloschen war, blieb der supraleitende Zustand der Keramik zunächst noch erhalten. Und zwar eine Million Mal länger als der Laserpuls dauert, nämlich knapp eine Millionstel Sekunde lang. Das System braucht also einige Zeit, um in seinen nicht-supraleitenden Grundzustand zurückzukehren. Ein nächstes Ziel der Forscher besteht darin, zu untersuchen, ob sich der supraleitende Zustand stabilisieren lässt. Desweiteren soll die Sprungtemperatur erhöht werden.

MPG / MH

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