Koexistenz von Supraleitung und Ladungsdichtewellen beobachtet

Mit Hilfe der EELS-Elektronenspektroskopie lassen sich im Rasterelektronenmikroskop die einzelnen Atome in der Heterostruktur kartieren: Die supraleitenden YBaCuO-Regionen sind an Yttrium (Blau) und Kupfer (pink) erkennbar, während in der ferromagnetischen Schicht Mangan (grün) und Lanthan (rot) eingebaut ist.

Mit Hilfe der EELS-Elektronenspektroskopie lassen sich im Rasterelektronenmikroskop die einzelnen Atome in der Heterostruktur kartieren: Die supraleitenden YBaCuO-Regionen sind an Yttrium (Blau) und Kupfer (pink) erkennbar, während in der ferromagnetischen Schicht Mangan (grün) und Lanthan (rot) eingebaut ist. © MPI Stuttgart

Physiker haben an BESSY II ein Materialsystem aus dünnen ferromagnetischen und supraleitenden Schichten untersucht. An den Grenzflächen bildeten sich Ladungsdichtewellen aus, die erstaunlich weit in die supraleitende Schicht hineinreichten. Die Ergebnisse zeigen neue Wege auf, um die Supraleitung zu beeinflussen und sind nun in Nature Materials publiziert.

Hochtemperatursupraleiter sind seit gut 30 Jahren bekannt: es sind besondere Metalloxid-Verbindungen, die Strom ohne Energieverlust leiten können. Anders als konventionelle Supraleiter müssen sie dafür nicht bis nahe an den absoluten Temperatur-Nullpunkt gekühlt werden. Vielmehr schaffen sie dies bei vergleichsweise hohen Temperaturen.

Ein typischer Hochtemperatursupraleiter ist Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBaCuO) mit einer Sprungtemperatur von 92 Kelvin (minus 181 Grad Celsius). Das Kühlen mit flüssigem Stickstoff reicht aus, um diese Temperatur zu unterschreiten. Ein Team um Prof. Bernhard Keimer vom MPI für Festkörperforschung in Stuttgart und Dr. Eugen Weschke vom HZB haben nun in einem System aus dünnen YBaCuO- sowie ferromagnetischen Nanoschichten entdeckt, wie sich Valenzelektronen verschieben lassen.

Kleinste kollektive Verschiebungen der Ladungen beobachtet

Mit resonanter Röntgenstreuung haben sie an BESSY II die Grenzflächen zwischen den ferromagnetischen und supraleitenden Schichten untersucht. Alex Frano konnte in seiner Doktorarbeit nachweisen, dass es sich dabei die Valenzelektronen in den Kupferatomen der YBaCuO-Dünnschicht minimal verschieben. Diese Verschiebungen führen zu so genannten Ladungsdichtewellen in der YBaCuO-Schicht, und zwar nicht nur in der unmittelbaren Nähe der Grenzflächen sondern über die gesamte Dicke der Schicht. „Das ist erstaunlich, weil frühere Untersuchungen gezeigt hatten, dass Supraleitung die Ausbildung von Ladungsdichtewellen unterdrückt“, erklärt Frano.

Ladungsdichtewelle trotz Supraleitung stabil

„Indem wir die Grenzflächen in die Heterostrukturen gebracht haben, ist es gelungen die Ladungsdichtewellen in Gegenwart der Supraleitung zu stabilisieren“, erläutert Eugen Weschke. Die YBaCuO-Schichten bleiben supraleitend, obwohl sich gleichzeitig die Ladungsdichten periodisch ändern. „Wie genau diese Koexistenz auf mikroskopischer Skala aussieht, ist eine spannende Frage, die mit weiteren Experimenten untersucht werden muss“, so der HZB-Forscher. Besonders interessant wäre es herauszufinden, ob man über diesen Mechanismus und durch weiteres geschicktes Design der Grenzflächen den supraleitenden Zustand gezielt kontrollieren kann.

Original-Publikation:

Long-range charge-density-wave proximity effect at cuprate/manganate interfaces, A. Frano, S. Blanco-Canosa, E. Schierle, Y. Lu, M. Wu, M. Bluschke, M. Minola, G. Christiani, H. U. Habermeier, G. Logvenov, Y. Wang, P. A. van Aken, E. Benckiser, E. Weschke, M. Le Tacon & B. Keimer, Nature Materials (2016) doi: 10.1038/nmat4682

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • Grüner Wasserstoff: MXene als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklung geeignet
    Science Highlight
    09.09.2024
    Grüner Wasserstoff: MXene als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklung geeignet
    Die Materialklasse der MXene besitzt vielfältige Talente. Nun hat ein internationales Team um HZB-Chemikerin Michelle Browne gezeigt, dass MXene als Katalysatoren für die Sauerstoffentwicklungsreaktion bei der elektrolytischen Wasserspaltung geeignet sind. Dabei arbeiten sie stabiler und effizienter als die derzeit besten Metalloxid-Katalysatoren. Das Team hat die neuartigen Katalysatoren für die elektrolytische Aufspaltung von Wasser nun umfassend an der Berliner Röntgenquelle BESSY II und am Synchrotron Soleil, Frankreich, charakterisiert.
  • SpinMagIC: EPR auf einem Chip sichert Qualität von Olivenöl und Bier
    Nachricht
    04.09.2024
    SpinMagIC: EPR auf einem Chip sichert Qualität von Olivenöl und Bier
    Bevor Lebensmittel verderben bilden sich meist bestimmte reaktionsfreudige Moleküle, sogenannte freie Radikale. Bisher war der Nachweis dieser Moleküle für Lebensmittelunternehmen sehr kostspielig. Ein Team aus HZB und Universität Stuttgart hat nun einen tragbaren und kostengünstigen „EPR-on-a-Chip“-Sensor entwickelt, der freie Radikale auch in geringsten Konzentrationen nachweisen kann. Nun bereitet das Team die Gründung eines Spin-off-Unternehmens vor, gefördert durch das EXIST-Forschungstransferprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz. Der EPRoC-Sensor soll zunächst bei der Herstellung von Olivenöl und Bier eingesetzt werden, um die Qualität dieser Produkte zu sichern.
  • Internationale Expertise zur Augentumortherapie mit Protonenstrahlung erschienen
    Science Highlight
    03.09.2024
    Internationale Expertise zur Augentumortherapie mit Protonenstrahlung erschienen
    Ein Team aus führenden Expertinnen und Experten aus Medizinphysik, Physik und Strahlentherapie, zu dem auch die HZB-Physikerin Prof. Andrea Denker und der Charité-Medizinphysiker Dr. Jens Heufelder gehören, hat einen Übersichtsartikel zur Protonentherapie von Augentumoren veröffentlicht. Der Beitrag ist im Red Journal, einem der renommiertesten Fachjournale in diesem Bereich erschienen. Er stellt die Besonderheiten dieser Therapieform am Auge vor, erläutert den Stand der Technik und aktuelle Forschungsschwerpunkte, gibt Empfehlungen zur Durchführung der Bestrahlungen und einen Ausblick auf künftige Entwicklungen.