Der Hochtemperatur-Supraleitung auf der Spur

  • 24. February 2015

Form der Elektronen-Orbitale beeinflusst magnetische oder supraleitende Eigenschaften.

Hochtemperatur-Supraleiter 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 Hochtemperatur-Supraleiter auf Kupferoxid-Basis in greifbare Nähe und löste damit einen regelrechten Boom auf diesem Forschungsgebiet aus. Doch der genaue Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung ist bis heute weder in diesen noch in den eisenbasierten Hochtemperatur-Supraleitern verstanden. Vermutlich ist das Wechselspiel von Magnetismus und Supraleitung von zentraler Bedeutung, was erstaunlich ist, da sich konventionelle Supraleitung und Magnetismus normalerweise ausschließen. Wissenschaftler der Uni Köln 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 Andrea Severing arbeitete dabei mit Forschern vom MPI für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden, dem Los Alamos National Laboratory in den USA und der Hiroshima University in Japan zusammen.

Das Team fand heraus, dass die Form der besetzten Elektronen-Orbitale, also die 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 hybridisieren und tragen dadurch zur elektrischen Leitung bei. Die Atomabstände spielen nur eine unterordnete Rolle. Eine solche Korrelation hatte man theoretisch seit längerem vermutet, sie ließ sich aber erst jetzt experimentell dank polarisierter Röntgenabsorptionsmessungen am Europäischen Synchrotron ESRF in Grenoble nachweisen.

Die Wissenschaftler untersuchten dafür das Modellsystem einer Schwere-Fermionen-Verbindung. Das sind leitende Materialien, in denen sich die Ladungsträger 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 Erden wie Cer oder Ytterbium enthalten. Viele dieser Schwere-Fermionen-Verbindungen zeigen eine unkonventionelle Supraleitung wie die Hochtemperatur-Supraleiter. Versteht man diese Materialien, so kann dies auch zu wichtigen Erkenntnissen für die Mechanismen in den Hochtemperatur-Supraleitern führen.

UK / RK

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