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Physik - Grundlagenforschung
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Elementarteilchen Weitere Forschungsarbeiten |
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Supraleitung
und Magnetismus: Von Rivalen zu Partnern |
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Die
wilde Quantenwelt produziert Zustände, die in der klassischen Physiklehre
nicht vorgesehen sind. Ein erstaunlicher neuartiger Zustand wurde im September
2008 Ausgabe des Magazins «Science» von einem internationalen
Wissenschaftlerteam um den Physiker Michel Kenzelmann vom Paul Scherrer
Institut vorgestellt
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| Die
Experimente wurden an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle (SINQ)
des Paul Scherrer Instituts PSI durchgeführt. Mit dem Neutronenstrahl
der SINQ ist es möglich auf mikroskopischer Ebene die inneren Eigenschaften
von Materialien zu untersuchen, ohne sie dabei zu zerstören. Mit dieser
Methode lassen sich Vorgänge beobachten, die sonst mit keiner anderen
Technik zu sehen sind. |
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| In
Zer-Kobalt-Indium verbrüdern sich Supraleitung und Magnetismus |
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Dem
Forscherteam gelang eine überraschende Entdeckung. Sie stellten fest,
dass das untersuchte Material sich magnetisch ordnet, aber nur solange
es supraleitend ist. Dieses Ergebnis ist verblüffend, da diese beiden
Phänomene normalerweise miteinander konkurrieren und sich in einem
Material gegenseitig zu verdrängen suchen, hier aber offenbar nur
gemeinsam existieren können.
| Wechselwirkung
zwischen Magnetismus und Supraleitung |
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| In
elektrischen Leitern wird Strom von Elektronen transportiert. Dabei kommt
es zu einem Verlust von Energie, sobald die Elektronen mit den positiven
Kristallionen des Leiters zusammenstossen und dadurch von ihrer optimalen
Bahn abgelenkt werden. Der verlustfreie
Transport von Strom in Supraleitern beruht darauf, dass sich die Elektronen
bei tiefen Temperaturen zu sogenannten "Cooper-Paaren" zusammenschliessen. Diese Elektronenpaare haben ganz andere Eigenschaften als einzelne Elektronen
und verhalten sich völlig anders; sie gehen in einen neuen Quantenzustand
über. Dieser Zustand erlaubt den Cooper-Paaren, sich gegenseitig
"abzusprechen" um Zusammenstösse zu vermeiden. Dadurch ist ein verlustfreier
Stromtransport möglich. |
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Elektronen
besitzen ein magnetisches Moment, das man sich wie eine Art Kompassnadel
vorstellen muss. In einem Cooper-Paar zeigen die "Kompassnadeln" der beiden
Elektronen generell immer in die exakt gegenüberliegende Richtung
und heben ihren Magnetismus dadurch auf. Wird in diesem supraleitenden
Zustand ein Magnetfeld angelegt geraten die magnetischen Momente des Elektronenpaars
in Bedrängnis. Dies geschieht einerseits dadurch, dass das Magnetfeld
Ströme induziert, die die Cooper-Paare aufbrechen und andererseits
auch weil das Magnetfeld seine magnetische Ordnung auf die magnetischen
Momente des Cooper-Paares überträgt. Gelingt dies dem
Magnetfeld löst sich das Cooper-Paar auf und der elektrische Leiter
verliert seinen supraleitenden Zustand. Auf diese Art rivalisieren magnetische
Ordnung und Supraleitung in vielen Materialien um die Vorherrschaft.
Laut
Kenzelmann, Wissenschaftler am PSI und Professor an der ETH Zürich,
schliessen magnetische Ordnung und Supraleitung sich zwar nicht immer gegenseitig
aus, dulden sich aber höchstens. «Supraleitung und magnetische
Ordnung verhalten sich in allen bisher bekannten Materialen wie zwei Rivalen,
die um dasselbe Revier kämpfen und den jeweils anderen auszuschalten
suchen.»
| Supraleitung
induziert magnetische Ordnung |
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In
ihrem Experiment kühlten die Forscher einen Einkristall bestehend
aus den Elementen Zer, Kobalt und Indium (CeCoIn5) auf auf minus
273,1 Grad Celsius ab. Bei derartig
tiefen Temperaturen hören alle atomaren Bewegungen des Kristalls auf
und die durchfliessenden Elektronen können sich zu sich zu Cooper-Paaren
zusammenschliessen. Dadurch wird der supraleitende,
elektrisch widerstandsfreie Zustand erreicht, der es ermöglicht, den
Strom verlustfrei zu transportieren. Anschliessend wurde das Material magnetischen
Feldern ausgesetzt.
Dabei
haben die Forscher festgestellt, dass bei hohen magnetischen Feldern ein
neuartiger supraleitender Zustand auftritt, der von magnetischer Ordnung
begleitet und nicht zerstört wird. Zwar hat man die Koexistenz von
magnetischer Ordnung und Supraleitung schon in anderen Fällen beobachtet.
Der neue Aspekt in dieser Cer-Verbindung ist jedoch die Tatsache, dass
die magnetische Ordnung nur während der supraleitenden Phase auftritt
und zusammen mit dieser bei noch höheren magnetischen Feldern im Wesentlichen
wieder spurlos verschwindet. Diese Beobachtung legt nahe, dass hier überraschenderweise
der Magnetismus von der Supraleitung begünstigt und stabilisiert wird.
«Unsere
Ergebnisse zeigen ganz eindeutig, dass die Supraleitung für das Entstehen
dieses Magnetismus entscheidend ist. Die Studie wird helfen genauer zu
verstehen, wie sich die Elektronenpaare in magnetischen Supraleitern überhaupt
bilden. Wir hoffen, dass dieses Wissen dann zukünftig für technologische
Anwendungen genutzt werden kann», erklärt Kenzelmann.
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| Quelle:
Text Paul Scherrer Institut PSI , September 2008 |
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