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Physik - Grundlagenforschung - Elementarteilchen
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Physik - Grundlagenforschung
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Elementarteilchen Weitere Forschungsarbeiten |
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Theorien
der Hochtemperatursupraleitung
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Entsteht
Supraleitung doch ganz anders? |
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Ergebnisse
vom PSI stellen gängige Theorien der Hochtemperatursupraleitung in
Frage |
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| Auch
wenn der Mechanismus hinter der Hochtemperatursupraleitung zu den grossen
Rätseln moderner physikalischer Forschung gehört, schien es einige
sichere Erkenntnisse über die Natur dieses Phänomens zu geben.
Forscher des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der TU Dresden haben nun
gezeigt, dass sich die seit rund einem Jahr bekannten Eisen-basierten Supraleiter
nicht an diese Regeln halten. Damit ist nicht nur gezeigt, dass gängige
Theorien revidiert werden müssen - die Ergebnisse könnten auch
Wege zur Erzeugung von effizienteren Hochtemperatursupraleitern aufzeigen.
Ihre Untersuchungen haben die Forscher vor allem mit Myonen durchgeführt
- instabilen Elementarteilchen, die am Teilchenbeschleuniger des PSI erzeugt
werden und detaillierte Informationen über Magnetfelder im Inneren
von Materialien liefern. |
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Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher
am 22.02.09 in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Materials.
| «Alte
und neue» Hochtemperatursupraleiter |
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Vor
rund zwanzig Jahren wurden die ersten Hochtemperatursupraleiter entdeckt:
kompliziert aufgebaute Substanzen auf Kupfer-Basis, die elektrischen Strom
ganz ohne Widerstand leiten konnten - und das bei deutlich höheren
Temperaturen als die schon länger bekannten klassischen Supraleiter.
Seit Anfang 2008 ist eine neue Klasse von Hochtemperatursupraleitern auf
Eisenbasis bekannt, die den bisher bekannten in vielfacher Weise ähnelt.
So haben alle Substanzen gemeinsam, dass ihre Kristallstruktur in Schichten
aufgebaut ist und der Strom in diesen Schichten fliesst. Gemeinsam ist
auch, dass sie aus einer nicht-supraleitenden Ausgangssubsubstanz entstehen,
wenn man bestimmte Atome durch die eines anderen Elements ersetzt und so
gezielt die Menge an elektrischen Ladungen verändert.
| Plötzlicher
Wandel |
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Der
Ausgangsstoff für die Kupfer-Supraleiter ist ein magnetischer Isolator,
der bei wachsendem Gehalt an Fremdatomen zunächst allmählich
seinen Magnetismus verliert und schliesslich supraleitend wird. Dieser
Ablauf galt bislang als Standard für die Vorgänge in Hochtemperatursupraleitern
und war die Basis der gängigen Theorien zur Entstehung des Effekts.
Die Forscher zeigen nun, dass es auch anders geht. So ist der Ausgangsstoff
der neuen Eisen-Supraleiter ein Metall. Vor allem wechseln sie aber bei
einer bestimmten Menge von Fremdatomen schlagartig vom magnetischen zum
supraleitenden Zustand. Das heisst, dass der magnetische Zustand die Supraleitung
unterdrückt, die sich sofort entfalten kann sobald der magnetische
Zustand zerstört wird. Dabei verschwindet mit dem Magnetismus auch
gleichzeitig eine Verzerrung des Kristallgitters.
«Wenn
man diese Verzerrung und den damit gekoppelten Magnetismus gezielt unterdrücken
könnte, wäre es wahrscheinlich möglich, die Supraleitung
bei höheren Temperaturen zu erzeugen.» erläutert der Physiker
Hubertus Luetkens die Konsequenzen seiner Forschung. «Die erwähnte
strukturelle Verzerrung kann zum Beispiel durch Einbringen von geeigneten
Fremdatomen, aber auch durch das Anlegen hoher externer Drücke verhindert
werden.» ergänzt sein Kollege Hans-Henning Klauss von der TU
Dresden. Solche Experimente mit hohem Druck werden zur Zeit am PSI durchgeführt.
| Elementarteilchen
enthüllen Magnetismus und Supraleitung |
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Die
Ergebnisse haben die Forscher vor allem mit Hilfe von Myonen gewonnen.
Diese instabilen Elementarteilchen werden am Teilchenbeschleuniger des
Paul Scherrer Instituts erzeugt und gezielt in das Innere der untersuchten
Substanz eingebracht. Dort agieren sie wie mikroskopisch kleine Magnetfeldsonden,
die magnetische Vorgänge und Supraleitung im Inneren des Materials
zeigen können. «Man kann auch mit einer Messung der Leitfähigkeit
feststellen, ob eine Substanz supraleitend geworden ist. Aber nur Myonen
zeigen, ob die Supraleitung auf einzelne Bereiche beschränkt ist oder
das ganze Material erfasst hat» erklärt Luetkens einen Vorteil
der Myonenexperimente. Myonen für solche Versuche sind weltweit nur
an wenigen Orten verfügbar.
| Paul
Scherrer Institut |
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Das
Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe
Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde
zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Festkörperforschung
und Materialwissenschaften, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin,
Energie- und Umweltforschung. Mit 1300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget
von rund 260 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.
An
der Technischen Universität Dresden lernen, lehren und forschen rund
35'000 Studierende und über 400 Professorinnen und Professoren aus
vielen Ländern. Materialwissenschaften, Biomaterialien und Nanotechnologie
bilden gemeinsam eine von sechs Profillinien in der Forschung, die besonders
in der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät verankert
ist.
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| Quelle:
Text Paul Scherrer Institut PSI , Feburar 2009 |
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