Frustrierte Supraleiter leiten besser

  • 25. October 2013

Neue Theorie über die magnetischen Eigenschaften von Hochtemperatur-Supraleitern beruht auf der Frustration von Spinzuständen.

Seit ihrer Entdeckung in den 1980er-Jahren geben Hochtemperatur-Supraleiter der Wissenschaft Rätsel auf. So wird etwa eine Kuprat-Keramik bei einer relativ hohen Temperatur von rund minus 135 Grad Celsius supraleitend. Die Gründe dafür zu verstehen, würde die Aussicht enorm erhöhen, gezielt einen Raumtemperatur-Supraleiter zu entwickeln. Für die Suche nach dem zugrunde liegenden Mechanismus ist die Neutronenspektroskopie wichtig, da sich mit ihr ein Spektrum der magnetischen Anregungen von Spin-Strukturen aufzeichnen lässt. Hochtemperatur-Supraleiter zeigen ein gemeinsames Muster dieser magnetischen Anregungen: das „hourglass-Spektrum“. Seinen Namen trägt es, weil es einem Stundenglas ähnelt. Da es eine universelle Eigenschaft aller Hochtemperatur-Supraleiter darstellt, versuchen Forscher weltweit, dieses hourglass-Spektrum zu erklären.

Hochtemperatur-Supraleiter absorbieren Energie je nach dem Impuls eingestrahlter Neutronen in einem Spektrum, das einem Uhrglas ähnelt

Abb.: Hochtemperatur-Supraleiter absorbieren Energie je nach dem Impuls eingestrahlter Neutronen in einem Spektrum, das einem Uhrglas ähnelt. Illustration zeigt eine frustrierte Spinordnung: Grüne Spins orientieren sich wie in einer idealen antiferromagnetischen Anordnung. Je stärker rot sie sind, desto weiter sind sie aus dieser Position herausgedreht. (Bild: CPFS)

Vor allem zwei Erklärungen ziehen sie für dieses Phänomen bisher heran. Diese Ansätze beruhen jeweils auf umfassenden Beschreibungen des elektronischen und magnetischen Verhaltens der Materialien, die auch als Grundlage für die Erklärung der Hochtemperatur-Supraleitung dienen können. Allerdings haben Theoretiker diese Zusammenhänge bisher noch nicht zweifelsfrei formulieren können. Einer der Erklärungsansätze für die hourglass-Spektren beruht auf einem Modell der Materialien, in dem Fermiflächen eine wichtige Rolle spielen, d.h. die Elektronenzustände, die für die Leitfähigkeit von Metallen verantwortlich sind. Die andere Erklärung des Spektrums geht von einem Modell der Festkörper aus, in dem das Material durch streifenförmig angeordnete elektrische Ladungen in den Kristall-Schichten charakterisiert wird. Aus solchen Schichten sind Kuprate und andere Hochtemperatur-Supraleiter aufgebaut. Dieses Modell schien sich zu bestätigen, als dieselbe Art von magnetischer Anregung kürzlich in einem Kobaltoxid-Isolator beobachtet wurde, in dem es keine Fermiflächen gibt.

Nun stellen Forscher um Alexander Komarek am MPI für chemische Physik fester Stoffe auch diesen zweiten Erklärungsansatz infrage. Sie erzeugten einen sehr reinen Kobaltoxid-Kristall, der das hourglass-Anregungsspektrum der Kuprat-Supraleiter zeigt. „Allerdings fehlen ihm nicht nur metallische Eigenschaften, sondern auch die Ladungsstreifen, weil sich die Ladungen in unserem extrem reinen Kobaltoxid-Kristall außergewöhnlich homogen verteilen“, erklärt Alexander Komarek. „Damit können wir die beiden populärsten Modelle zur Beschreibung der Spin-Anregungen in Kuprat-Hochtemperatursupraleitern für diese Kobalt-Oxid-Verbindung ausschließen.“

Das Team um Alexander Komarek wartet gleichzeitig mit einer neuen Erklärung für das hourglass-Spektrum auf. Demnach kommt es durch ein Phänomen namens Frustration zustande, das mit der gegenseitigen Ausrichtung der Spins zusammenhängt. Bei tiefen Temperaturen tendieren die Spins dazu, sich zu ordnen, ähnlich wie parallel nebeneinander liegende Magnetstäbe sich ausrichten, weil dadurch die Energie minimal wird.

Allerdings kann sich diese ideale Ordnung in den Kobaltoxidkristallen der Dresdner Forscher und möglicherweise auch in Hochtemperatursupraleitern nicht ausbilden, wie die Experimente des Dresdner Teams zeigen. Die Materialien sind chemisch nämlich so zusammengesetzt, dass zwischen den Spins, die sich eigentlich regelmäßig anordnen würden, einige wenige zusätzliche Spins untergebracht werden müssen. Jede zusätzliche elektrische Ladung stört die Ordnung empfindlich. Die Spins sollen es nun gleichsam allen recht machen: um ihre Energie zu minimieren, müssten sie sich gleichzeitig sowohl relativ zum Spin der neuen Ladung ausrichten als auch die alte Ordnung beibehalten: ein unlösbarer Konflikt.

„Gerade diese Frustration könnte nun aber der Schlüssel zum Verständnis der Anregungen in den Hochtemperatur-Supraleitern sein“, sagt Alexander Komarek. Denn den Ergebnissen des Dresdner Teams zufolge müssen Physiker möglicherweise die frustrierte Spin-Anordnung berücksichtigen, um das elektronische und magnetische Verhalten der Materialien zu beschreiben, die in der Neutronenstreuung durch ein hourglass-Spektrum auffallen. Ein solches umfassendes Modell auf Basis der Spin-Frustration könnte dann vielleicht sogar auch eine Erklärung liefern, warum die betreffenden Materialien Strom ohne Widerstand transportieren.

CPFS / DE

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