Supraleiter unter Druck gesetzt und damit Geheimnisse entlockt

Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) gewinnen neue, überraschende Einblicke in das Phänomen der Supraleitung. In Kooperation mit mehreren internationalen Forschergruppen berichten sie dies in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Nature Materials, die eine Online-Version als Highlight-Beitrag vorab veröffentlicht.

Seit japanische Wissenschaftler vor etwa einem Jahr eine neue Gruppe von Hochtemperatur-supraleitern entdeckt haben, ist die Forschungsaktivität auf diesem Gebiet neu entbrannt. Experten hatten gehofft, nun endlich erklären zu können, wie der Stromtransport ohne Widerstand tatsächlich entsteht. Das Phänomen tritt in der Regel erst bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt auf – außer bei einigen Kupfer-Sauerstoff-Verbindungen, den sogenannten Kupraten. Diese werden schon bei minus 150 Grad supraleitend. Die von den Japanern entdeckte neue Gruppe der Eisen-Arsen-Verbindungen sind nun die erste Verbin-dungsgruppe, die diesen „hohen Temperaturen“ recht nahe kommt. Sie werden bei Tempera-turen um minus 218 Grad Celsius supraleitend. Vielversprechend sind die Verbindungen, weil sie nicht so spröde sind wie die Kuprate und sich daher besser verarbeiten lassen, zum Beispiel kann man sie zu Drähten ziehen.

Experten haben außerdem gehofft, dass man nun eine von den Kupraten unabhängige Ver-bindungsgruppe hat und man durch Untersuchungen an dieser Gruppe die bestehenden The-sen zum Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung bestätigen kann.

Doch das Gegenteil ist der Fall, wie die Wissenschaftler des HZB mithilfe der Neutronen-streuung herausgefunden haben. In Kooperation mit mehreren internationalen Forschergrup-pen berichten Simon Kimber und Dimitri Argyriou in der Zeitschrift Nature Materials, dass bestimmte Strukturänderungen eine viel größere Rolle bei der Entstehung der Supraleitung spielen als das Einschleusen von Ladungen (Dotieren), das bislang zur Herstellung von Hochtemperatursupraleitern (Kupraten) verwendet wird. 

Dies geschieht, indem man in eine Ausgangsverbindung - die sogenannte Mutterverbindung -Fremdionen einschleust. Dadurch entstehen in dem ursprünglichen Isolatormaterial Ladungsträger, die den Strom leiten. Doch nicht nur das. Durch den Einbau der Fremdatome verzerrt sich auch die Kristallstruktur.

Für die supraleitenden Eisen-Arsen-Verbindungen gibt es eine andere Möglichkeit der Her-stellung. Man setzt die metallische Mutterverbindung einem hohen Druck aus. Das Forscher-Team hat festgestellt, dass sich die Kristallstruktur dadurch in ähnlicher Weise verzerrt wie dies bei den Kupraten durch Einbau der Fremdatome beobachtet wird. Die Eisen-Atome rücken näher zusammen und die Tetraeder, die sie mit den Arsen-Atomen bilden, nähern sich dem idealen Tetraeder-Winkel von 109 Grad. Die Forscher schlussfolgern daraus, dass diese Struktur entscheidend ist für die unbegrenzte Bewegung der Elektronen und damit für den Stromfluss ohne Widerstand.

Die Experimente haben die Berliner Wissenschaftler zusammen mit ihren amerikanischen und deutschen Kollegen (Goethe-Universität Frankfurt) an der Neutronenquelle des ILL in Grenoble durchgeführt. Am HZB sollen jedoch im Rahmen eines umfangreichen Programms weitere Untersuchungen zur Erklärung der Supraleitung stattfinden. Danach soll die neue Klasse der Hochtemperatursupraleiter sowohl mit Neutronen als auch mit Synchrotronstrah-lung ausführlich untersucht werden. „Von dem Einsatz der komplementären Methoden ver-sprechen wir uns ganz neue Einblicke und wesentliche Erkenntnisse darüber, wie man supra-leitende Materialien in Zukunft herstellen kann“, sagt Dimitri Argyriou.   

Das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) betreibt und entwickelt Großge-räte für die Forschung mit Photonen (Synchrotronstrahlung) und Neutronen mit international konkur-renzfähigen oder sogar einmaligen Experimentiermöglichkeiten. Diese Experimentiermöglichkeiten werden jährlich von mehr als 2500 Gästen aus Universitäten und außeruniversitären Forschungseinrich-tungen weltweit genutzt. Das Helmholtz-Zentrum Berlin betreibt Materialforschung zu solchen Themen, die besondere Anforderungen an die Großgeräte stellen. Forschungsthemen sind Materialforschung für die Energietechnologien, Magnetische Materialien und Funktionale Materialien. Im Schwerpunkt Solar-energieforschung steht die Entwicklung von Dünnschichtsolarzellen im Vordergrund, aber auch chemi-sche Treibstoffe aus Sonnenlicht sind ein wichtiger Forschungsgegenstand. Am HZB arbeiten rund 1100 Mitarbeiter/innen, davon etwa 800 auf dem Campus Lise-Meitner in Wannsee und 300 auf dem Campus Wilhelm-Conrad-Röntgen in Adlershof.

Das HZB ist Mitglied in der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V., der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands.