Unkonventionell und supraleitend

  • 26. May 2014

Bislang unbekannte Phase könnte sich als Schlüssel zur Supraleitung in unkonventionellen Supraleitern erweisen.

Ein Forscherkonsortium aus Deutschland, Großbritannien und den USA hat eine bislang unbekannte Phase in einer speziellen Art von Supraleitern entdeckt, den Arseniden. Diese Ergebnisse erlauben neue Einblicke in die Wechselwirkungen von Atomen und Elektronen, die für das ungewöhnliche Phänomen der Supraleitung verantwortlich sind, berichtet das Team, dem auch Ilya Eremin vom Lehrstuhl für Theoretische Festkörperphysik der Ruhr-Universität angehört.

Phasendiagramm

Abb.: Phasendiagramm von Ba1−xNaxFe2As2 (Bild: S. Avci et al.)

Supraleiter werden zurzeit nicht im Alltag genutzt, weil sie sehr tiefe Temperaturen benötigen. Neu entdeckte unkonventionelle Supraleiter könnten vielleicht bei höheren Temperaturen arbeiten. Bislang ist aber wenig verstanden, welche Mechanismen der Supraleitung in unkonventionellen Materialien zugrunde liegen. In konventionellen Supraleitern bilden Elektronen Paare, indem sie die umliegenden Atome verzerren. Solch ein Elektronenpaar kann leichter durch das Material fließen als einzelne Elektronen. Auch in unkonventionellen Supraleitern treten Elektronenpaare auf; welcher Mechanismus sie zusammenbindet, ist jedoch unbekannt.

Das Forscherteam untersuchte deshalb Eisen-Arsenid, das bei minus 240 Grad Celsius supraleitend wird. Bei Raumtemperatur, also im nicht supraleitenden Zustand, sind die Atome in einem quadratischen Kristallgitter angeordnet, das vierfach symmetrisch ist. Kühlt man das Material jedoch soweit ab, dass es supraleitend wird, verformt sich das Kristallgitter in eine rechteckige Form, die zweifach symmetrisch ist; es zeigt dann eine nematische Ordnung. Bislang glaubte man, dass sich die nematische Raumstruktur ab einer gewissen Temperatur ausbildet und bei weiterem Abkühlen erhalten bleibt, bis die Supraleitung eintritt. Diese Theorie widerlegte das Team. Kurz bevor Eisen-Arsenid supraleitend wird, nimmt es erneut eine vierfach symmetrische Kristallstruktur ein.

Wie die nematische Ordnung zustande kommt, ist seit langem eine ungelöste Frage. Eine Theorie besagt, dass die zweifach-symmetrische Raumstruktur auf bestimmten Elektronenanordnungen basiert; eine andere Theorie postuliert, dass sie auf Magnetismus beruht. Gemeinsam mit Kollegen der University of Wisconsin hat Ilya Eremin ein Modell erstellt, dass die nematische Ordnung durch magnetische Wechselwirkungen erklärt. Die neuen Daten stützen dieses Modell. Es besagt auch, dass magnetische Wechselwirkungen der Schlüssel zur Supraleitung sind. Die Bildung von Elektronenpaaren in unkonventionellen Supraleitern basiert also möglicherweise auf Magnetismus.

RUB / DE

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