Keyword: Festkörperphysik

Karsten Held, Oleg Janson und Liang Si
02 / 2022 Seite 35
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Supraleitung in der Nickelzeit

Die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung gelang vor 35 Jahren in Cupraten. Seither lassen die Fragen nach ihrer physikalischen Erklärung und einem Rezept für Supraleiter bei Raumtemperatur die Festkörper­physik nicht mehr los. Supraleitende Nickelate versprechen neue Erkenntnisse zu diesen offenen Fragen − nicht zuletzt aufgrund vieler Gemeinsamkeiten, aber auch entscheidender Unterschiede zu den Cupraten.

Vladimir Anisimov und Co-Autoren formulierten schon vor über 20 Jahren die theoretische Idee von Supraleitung in Nickelaten (Seltenerd-Nickel­oxiden) auf Basis computergestützter Materialrechnungen [1]. Doch erst vor zwei Jahren gelang der Gruppe von Harold Hwang in Stanford der experimentelle Nachweis [2]: In Nd0,8Sr0,2NiO2 verschwindet der elektrische Widerstand unterhalb einer Sprungtemperatur Tc = 14,9 K (Abb. 1a), und Supraleitung tritt auf. Die Nickelate bilden dabei ähnlich wie Cuprate (Seltenerd-Kupferoxide) eine Kristallstruktur mit zweidimensionalen NiO2-Schichten, die durch Neodym-Atome voneinander getrennt sind (Abb. 1b). Die schwierige und aufwändige Synthese sorgte dafür, dass es ein Jahr dauerte, bis eine andere Arbeitsgruppe diese Entdeckung bestätigen konnte [3].

Die Geschichte der Hochtemperatur-Supraleitung lässt sich – ähnlich wie die Menschheitsgeschichte – in Zeitalter einteilen (Abb. 2), da die Entdeckung einer neuen Materialklasse immer wieder große experimentelle und theoretische Anstrengungen auslöst. Elementares Quecksilber, der erste von Heike Kamerlingh Onnes entdeckte Supraleiter, und weitere konventionelle Supraleiter wie Blei stehen dabei für die „Vorzeit“. Die Cuprate als erste Hochtemperatur-Supraleiter wurden 1986 völlig überraschend von Georg Bednorz und Alex Müller entdeckt. Nach dieser Kupferzeit (Cuprate) folgte die Eisenzeit (Eisenpniktide) und nun als jüngstes Zeitalter die Nickelzeit (Nickelate). Im Gegensatz zur Menschheitsgeschichte überlappen diese Zeitalter bei den Supraleitern: In Forschung und Anwendung spielen konventionelle Supraleiter aus der Vorzeit, wie NbTi, und die Cuprate nach wie vor eine tragende Rolle. Insbesondere kommen sie zum Einsatz, um starke Magnetfelder in der Medizin, für Teilchenbeschleuniger oder bei der Fusionsforschung zu erzeugen. Weitere Anwendungen reichen vom SQUID-Magneto­meter über Filter im Mobilfunk bis zu Fehlerstrombegrenzern. (...)

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Die Entdeckung neuartiger Materialien hat seit der Steinzeit technologische Revolutionen ausgelöst. Die heutzutage wichtigsten Materialien sind die Bausteine moderner Technologien wie Halbleiter, Magnete oder Supraleiter. Sie bilden die Grundlage für Computer­chips, Speicher und wissenschaftliche Geräte. Für die weitere Entwicklung wären Materialien wünschenswert, die viele unterschiedliche Eigenschaften gleichzeitig besitzen können. Diese sollten gesteuert ein- und ausschaltbar sein, um je nach Bedarf per Knopfdruck einen Magneten oder einen Supraleiter zu erhalten.

Traditionell sind Materialeigenschaften das Ergebnis der Zusammensetzung und Anordnung von Atomen in Kristallen. Abhängig davon, welche Atomspezies in einem Material gemischt sind, ordnen sich die Atome in unterschiedlichen periodischen Strukturen mit verschiedenen Symmetrien und elektronischen Eigenschaften an. Diese Attribute definieren somit die Eigenschaften des Materials und bestimmen, ob es beispielsweise ein Halbleiter, Magnet oder Supraleiter ist.

Um immer reichhaltigere Materialeffekte zu finden, hat sich die Wissenschaft in den letzten Jahrzehnten darauf konzentriert, immer kompliziertere Kristalle herzustellen. Damit ist es gelungen, eine zunehmende Anzahl verschiedener Atomspezies in einem Material zu mischen und eine Vielfalt exotischer Spezies zu entdecken, die in der Natur nicht vorkommen. Ein Beispiel ist der Kuprat-Supraleiter Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127. Um diese Materialien in der modernen Elektronik einzusetzen, müssen ihre Abmessungen nanometerklein sein. Die Miniaturisierung hat zudem einen weiteren positiven Effekt: Da die Materialien zunehmend empfindlich gegenüber angelegten elektrischen und magnetischen Feldern werden, können wir diese Felder nutzen, um die Materialeigenschaften kontrolliert zu verändern.  (...)

 

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