Die Entdeckung einer neuen Klasse von Supraleitern versetzt Festkörperphysiker seit einigen Monaten in fieberhafte Forschungsaktivität. Auch an der Goethe-Universität arbeitet eine Gruppe theoretischer Physiker unter der Leitung von Prof. Maria Roser Valenti daran, die physikalischen Grundlagen zu entschlüsseln, die den Strom in dem Material widerstandslos fließen lassen. Das Besondere an dem neuen Supraleiter-Typ: Anders als die in den 1990er-Jahren entdeckten "Kuprate", die aufgrund ihrer keramischen Sprödigkeit schwer zu verarbeiten sind, kann man sie zu Drähten ziehen. "Dies ist, zusammen mit der hohen Sprungtemperatur, eine wichtige Voraussetzung für den breiten technischen Einsatz der neuen Supraleiter", erklärt Valenti.

Supraleitung tritt in allen bisher bekannten Materialien erst auf, wenn diese stark abgekühlt werden. Dabei ist die Temperatur, bei der die Elektronen reibungslos fließen (Sprungtemperatur), von großer Bedeutung: klassische Supraleiter, wie sie auch für die Magneten im Europäischen Kernforschungszentrum CERN verwendet werden, sind erst nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 Grad Celsius oder 0 Kelvin) supraleitend, weshalb sie eine teure Kühlung mit flüssigen Helium benötigen. Bei keramischen Hochtemperatur-Supraleitern mit einer Sprungtemperatur zwischen 90 und 130 Kelvin, reicht dagegen schon eine Kühlung mit vergleichsweise günstigem flüssigem Stickstoff aus. Nicht zuletzt deshalb wurden sie in den 1990er-Jahren als eine Lösung der Energieprobleme gehandelt. Die Sprungtemperatur der neuen Supraleiter liegt dazwischen; je nach Material bei 26 bis 55 Kelvin. Es handelt sich um Eisen-Arsen-Legierungen kombiniert mit Barium, Kalium oder Samarium und Sauerstoff.

"Den Mechanismus der Supraleitung zu verstehen, ist wichtig, um die Materialeigenschaften gezielt verbessern zu können", erklärt Valenti, "dabei sind wir auf ein interessantes Phänomen gestoßen: Wenn wir das Material unter Druck setzen, hat das ähnliche Effekte, wie wenn wir es mit Fremdatomen dotieren". Die Dotierung ist ein in der Halbleitertechnik üblicher Trick, um zusätzliche Ladungsträger in das Material zu schleusen und damit seine Leitfähigkeit zu erhöhen. Bei den Kupraten hat Dotierung eine ähnliche Funktion.

Bei den neuen Supraleitern scheint jedoch ein anderer Effekt der Dotierung wichtiger, wie die Physiker in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift 'nature materials' berichten: Fremdatome verändern die Struktur des Materials: benachbarte Eisen-Atome rücken näher zusammen und die Tetraeder, die sei mit den Arsen-Atomen bilden, nähern sich den Maßen des idealen platonischen Körpers. Beide Veränderungen wirken sich unmittelbar auf die im Metall fließenden Elektronen aus: "In unseren Berechnungen beobachten wir einen so genannten Nesting-Effekt", fasst Valenti ihre Ergebnisse zusammen, "praktisch bedeutet das einen instabilen Zustand, ähnlich dem einer Kugel auf einer Kegelspitze. Um einen stabilen Zustand zu erreichen, können die Elektronen zwischen zwei kollektiven Zuständen wählen: der eine ist magnetisch, der andere supraleitend." Dies könnte ein wichtiger Schritt zur Erklärung der Supraleitung in den Eisen-Arsen-Legierungen sein.

Die Experimente zur Strukturanalyse mit Neutronenstreuung übernahmen das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und das Institut Max von Laue-Paul Langevin in Grenoble. Die Probenpräparation und der Nachweis der Supraleitung geschah am Ames Laboratory und der Iowa State University (USA).

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main / IDW.