Hochtemperatur-Supraleitung konventioneller als gedacht

Stuttgarter Max-Planck-Wissenschaftler widerlegen mit neuer hochpräziser Messtechnik eine der bisherigen Erklärungen der Hochtemperatur-Supraleitung

Die Hochtemperatur-Supraleitung wurde erst vor siebzehn Jahren entdeckt und hat mittlerweile zahlreiche Anwendungen gefunden. Doch der ihr zugrunde liegende Mechanismus ist bis heute nicht geklärt. Forscher des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart haben jetzt nachgewiesen, dass die Hochtemperatur-Supraleitung – entgegen den Vorhersagen einiger derzeit dominierender theoretischer Modelle – nicht auf einem unkonventionellen Paarungsmechanismus der Elektronen beruht. Das gelang mit einer hochpräzisen Messtechnik, der Infrarot-Ellipsometrie mit Hilfe von Synchrotronstrahlung, die von den Wissenschaftlern in langjähriger Arbeit eigens dazu entwickelt wurde. Die mit der Synchrotron-Strahlquelle (ANKA) am Forschungszentrum Karlsruhe gemachten Befunde legen den Schluss nahe, dass auch die Hochtemperatur-Supraleitung – in modifizierter Form – durch die bestehende Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie der Supraleitung (BCS-Theorie) erklärt werden kann (Science, 30. April 2004).

Normale Metalle haben einen endlichen elektrischen Widerstand. Fließt durch sie ein Strom, so ist das mit erheblichen Verlusten verbunden. Wertvolle Energie wird dadurch in Abwärme umgewandelt, die oftmals erhebliche technische Probleme verursacht. Einige Metalle werden jedoch unterhalb einer so genannten Sprungtemperatur zu Supraleitern. Diese leiten den elektrischen Strom widerstandsfrei, also ohne Verluste. Solche Supraleiter sind bereits seit fast hundert Jahren (seit 1911) bekannt, ihre Sprungtemperatur liegt aber nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius. Da ihre Abkühlung sehr aufwändig ist, finden herkömmliche Supraleiter nur wenige Anwendungen, beispielsweise in Spulen für sehr starke magnetische Felder.

Die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung in einer Kupferoxid-Verbindung durch J.G. Bednorz und K.A. Müller im Jahre 1986 erregte deshalb sehr großes Aufsehen. Bereits im folgenden Jahr erhielten sie den Nobelpreis. Mittlerweile liegt der Rekord der Sprungtemperatur in dieser Materialklasse bei immerhin -139 °C. Diese Temperaturen kann man durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff (-195 °C) kostengünstig und ohne großen technischen Aufwand erreichen. Das führte international zu einer regen Forschungstätigkeit, die mittlerweile zu bedeutsamen technologischen Entwicklungen geführt hat. Doch trotz der Erfolge bei der Herstellung und technischen Entwicklung dieser Materialien bleibt der dem Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung zugrunde liegende Mechanismus weiterhin ungeklärt.

Das ist um so erstaunlicher, als für die konventionellen Supraleiter bereits seit 1957 eine sehr detaillierte und erfolgreiche Theorie vorliegt. Der BCS-(Bardeen-Cooper-Schrieffer-) Theorie zufolge bilden zwei freie Elektronen eines Metalls unterhalb der Sprungtemperatur so genannte Cooper-Paare. Diese Elektronen-Paare haben völlig neue quantenmechanische Eigenschaften und ermöglichen den verlustfreien Stromtransport. Dem liegt ein fundamentales Symmetrieprinzip zugrunde, wonach Teilchen mit halbzahligem Spin, so genannte Fermionen, zu denen die Elektronen gehören, nicht denselben Grundzustand einnehmen können. Ganz im Gegensatz dazu können Teilchen mit ganzzahligem Spin, die Bosonen, bei tiefen Temperaturen ein und denselben Grundzustand – die Bose-Einstein-Kondensation – einnehmen. Diese wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts vorausgesagt und vor wenigen Jahren an ultrakalten Atomen erstmals experimentell beobachtet.

Die Elektronen in einem Metall können das für Fermionen gültige Ausschlussprinzip umgehen, indem sie Cooper-Paare bilden, die dann – wie die Bosonen – einen ganzzahligen Spin aufweisen. In der Folge gehen auch sie dann in einen kohärenten Zustand über, dessen quantenmechanische Wellenfunktion sich auch über makroskopische Dimensionen erstreckt. In diesem Zustand sind Wechselwirkungen einzelner Elektronen mit statischen oder dynamischen Defekten, die dem elektrischen Widerstand zugrunde liegen, ausgeschlossen – der Stromtransport erfolgt verlustfrei.

Das Hauptproblem bei der Bildung von Cooper-Paaren besteht nun darin, dass Elektronen eine negative elektrische Ladung besitzen und sich deshalb stark abstoßen. Damit sich Cooper-Paare bilden können, ist also eine anziehende Kraft erforderlich, die der elektrostatischen Abstoßung entgegenwirkt. In herkömmlichen Supraleitern basiert diese Kraft auf einer koordinierten Verzerrung der positiv geladenen Atomkerne, den so genannten Phononen. Diese reduzieren die elektrostatische Abstoßung bzw. heben sie sogar auf. Im Falle der Hochtemperatursupraleiter ist jedoch weitgehend erwiesen, dass die anziehende Wirkung aufgrund der Phononen viel zu schwach ist, um die extrem hohe Sprungtemperatur dieser Supraleiter zu erklären. Aus diesem Grund hat man in den letzten Jahren eine Reihe alternativer Modelle zur Erklärung der Hochtemperatur-Supraleitung entwickelt. So gehen einige konventionelle Modelle davon aus, dass die stärkere Wechselwirkung zum Beispiel über die Spinanregungen der Elektronen vermittelt werden.

Daneben bestehen aber auch mehrere unkonventionelle Modelle, die sich grundlegend von den BCS-artigen Modellen unterscheiden. Der entscheidende Unterschied betrifft den Normalzustand der Ladungsträger oberhalb der Sprungtemperatur. Im BCS-Modell geht man von schwach wechselwirkenden elektronischen Zuständen aus, welche im Sinne einer so genannten Fermi-Flüssigkeit verstanden werden können. Die unkonventionellen Modelle gehen hingegen von einer sehr starken Wechselwirkung der Elektronen aus, die bereits oberhalb der Sprungtemperatur, also im Normalzustand, gravierende Auswirkungen hat. Danach beeinträchtige diese starke Wechselwirkung die Beweglichkeit der Elektronen und führe auf diese Weise zu einer sehr ungünstigen Situation mit einer stark erhöhten kinetischen Energie der Elektronen. Der Knackpunkt dieser Modelle ist die Annahme, dass die Elektronen die für sie nachteilige Wechselwirkung vermeiden können, indem sie wiederum Cooper-Paare bilden.

Ob die Hochtemperatur-Supraleitung tatsächlich ein solch unkonventioneller Paarungsmechanismus beruht, versucht man insbesondere durch optische Untersuchungen dieser Materialien herauszufinden. Denn die kinetische Energie der Ladungsträger bestimmt auch ihre Fähigkeit, eingestrahltes Licht zu absorbieren oder zu reflektieren. Exakte Messungen der optischen Eigenschaften dieser Materialien über einen ausreichend großen Energiebereich hinweg, von möglichst niedrigen Energien im fernen Infrarot bis hin zur so genannten Plasmafrequenz der Ladungsträger im sichtbaren Spektralbereich, erlauben es, direkt auf ihre kinetische Energie zu schließen. Auf diese Weise lassen sich vor allem anomale Änderungen der kinetischen Energie als Funktion der Temperatur nachweisen, wie sie von beschriebenen unkonventionellen Theorien vorhergesagt werden.

Doch die Veränderungen in den optischen Eigenschaften der Hochtemperatur-Supraleiter können extrem klein sein. Man braucht deshalb extrem genaue Messungen, die jedoch mit herkömmlichen Methoden, wie der Reflektions- oder Transmissionsmessung, nicht möglich sind. Dafür geeignet ist die Ellipsometrie, eine Methode, mit der man nicht nur die Änderung der Intensität des einfallenden und reflektierten Lichtstrahls, sondern auch dessen Phasenverschiebung messen kann. Konkret beobachtet man damit, wie sich der Polarisationszustand linear polarisierten Lichts bei der Reflexion verändert. Im Allgemeinen ist das reflektierte Licht elliptisch polarisiert, daher der Name Ellipsometrie. Im Spektralbereich des sichtbaren Lichts ist diese Methode, welche bereits im 19. Jahrhundert von Paul Drude entwickelt wurde, seit langem etabliert und findet zahlreiche Anwendungen. Geeignete Ellipsometer sind kommerziell erhältlich.

Doch um die Änderung der kinetischen Energie der Ladungsträger bestimmen zu können, sind ellipsometrische Messungen in deutlich niedrigeren Energiebereichen bis in den Bereich des fernen Infrarot erforderlich. In diesem Spektralbereich waren präzise ellipsometrische Messungen an den vergleichsweise kleinen Proben der Hochtemperaturspraleiter bis vor kurzem nicht möglich. Erst der Forschergruppe um Christian Bernhard am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung ist es in den letzten Jahren gelungen, ein präzises Infrarot-Ellipsometer unter Einsatz einer Synchrotron-Strahlquelle zu entwickeln, die auch im Bereich des fernen Infrarot brilliante und sehr intensive Strahlung liefert. Ein erstes Infrarot-Ellipsometer haben die Forscher an der National Synchrotron Light Source (NSLS) am Brookhaven National Laboratory in Brookhaven, USA, aufgebaut und getestet. In den letzten Jahren haben sie dann ein weiter entwickeltes Infrarot-Ellipsometer an der neu geschaffenen Synchrotron-Strahlquelle (ANKA) am Forschungszentrum Karlsruhe in Betrieb genommen.

Die Messungen mit ANKA zeigten dann, dass bei der Hochtemperatur-Supraleitung kein solch unkonventioneller Paarungsmechanismus der Elektronen vorliegt. Die ellipsometrischen Infrarotspektren stehen in klarem Widerspruch zu den Vorhersagen unkonventioneller Modelle der Hochtemperatursupraleitung. Die Messungen belegen vielmehr, dass die kinetische Energie der Ladungsträger im supraleitenden Zustand nicht anormal abgesenkt wird. Ganz im Gegenteil, die Wissenschaftler beobachteten sogar eine geringfügige Erhöhung der kinetischen Energie, wie sie von der klassischen BCS-Theorie vorhergesagt wird. Hierfür verantwortlich ist die Bindung der Elektronen zu Cooper-Paaren, welche die Beweglichkeit der individuellen Elektronen einschränkt. Im Rahmen der BCS-Theorie wird dieser Nachteil aber durch die anziehende Wechselwirkung mehr als wettgemacht.

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PD Dr. Christian Bernhard
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart
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E-Mail: c.bernhard@fkf.mpg.de