Supraleitung: Mit neuen Tricks zu besseren Materialien

Nickelate gelten als neuer Hoffnungsträger für künftige Supraleitungs-Technologien. An der TU Wien gelang es nun erstmals, ihre elektronische Struktur präzise zu erklären.

Auch nach über 30 Jahren Forschung gehört die Hochtemperatur-Supraleitung immer noch zu den großen ungelösten Rätseln der Materialphysik. Der genaue Mechanismus, der auf atomarer Ebene dazu führt, dass bestimmte Materialien auch bei relativ hohen Temperaturen elektrischen Strom immer noch völlig ohne Widerstand leiten, ist bis heute nicht vollständig geklärt.

Vor zwei Jahren wurde eine neue Klasse vielversprechender Supraleiter entdeckt: Die sogenannten geschichteten Nickelate. Einem Forschungsteam der TU Wien gelang es nun erstmals, durch den Vergleich von Theorie und Experiment wichtige Parameter dieser neuartigen Supraleiter zu bestimmen. Damit steht nun erstmals ein theoretisches Modell zur Verfügung, mit dem es gelingen kann, die elektronischen Mechanismen der Hochtemperatur-Supraleitung in diesen Materialien zu verstehen.

Auf der Suche nach Supraleitern bei hohen Temperaturen

Supraleiter kennt man mittlerweile viele, doch die meisten von ihnen sind nur bei extrem tiefen Temperaturen supraleitend, nah am absoluten Nullpunkt. Materialien, die auch bei höheren Temperaturen noch supraleitend bleiben, bezeichnet man als „Hochtemperatur-Supraleiter“ – auch wenn diese „hohen“ Temperaturen (oft in der Größenordnung unterhalb von -200 °C) für menschliche Maßstäbe immer noch extrem kalt sind.

Ein Material zu finden, das auch bei deutlich höheren Temperaturen immer noch supraleitend bleibt, wäre eine revolutionäre Entdeckung, die viele neue Technologien ermöglichen würde. Lange Zeit galten die sogenannten Cuprate als besonders spannende Kandidaten – eine Klasse von kupferhaltigen Materialien. Nun könnte sich allerdings eine andere Materialklasse als noch vielversprechender herausstellen: Nickelate, die eine ähnliche Struktur aufweisen wie Cuprate, allerdings mit Nickel statt Kupfer.

„Bei der Forschung an Cupraten konnte man die kritische Temperatur, bis zu der das Material supraleitend bleibt, im Lauf der Zeit dramatisch steigern. Wenn bei den neu entdeckten Nickelaten ähnliche Fortschritte gelingen, wäre das ein gewaltiger Schritt nach vorne“, sagt Prof. Jan Kuneš vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien.

Schwer zugängliche Parameter

Theoretische Modelle, die das Verhalten solcher Supraleiter beschreiben, gibt es bereits. Das Problem ist allerdings: Um das Modell verwenden zu können, muss man bestimmte Materialparameter kennen, die schwer zu bestimmen sind. „Eine Schlüsselrolle spielt die Ladungs-Transfer-Energie“, erklärt Jan Kuneš. „Diese Zahl sagt uns, wie viel Energie man dem System zuführen muss, um ein Elektron von einem Nickelatom zu einem Sauerstoffatom zu übertragen.“

Leider kann dieser Wert nicht direkt gemessen werden, und theoretische Berechnungen sind extrem kompliziert und unpräzise. Daher entwickelte Atsushi Hariki aus der Arbeitsgruppe von Jan Kuneš, eine Methode, diesen Parameter indirekt zu ermitteln: Wenn man das Material mit Röntgenstrahlen untersucht, hängen die Ergebnisse ebenfalls von der Ladungs-Transfer-Energie ab. „Wir berechneten Details des Röntgenspektrums, die besonders empfindlich von diesem Parameter abhängen und verglichen unsere Ergebnisse mit Messungen unterschiedlicher Röntgen-Spektroskopie-Methoden“, erklärt Jan Kuneš. „Auf diese Weise können wir den passenden Wert ermitteln – und diesen Wert kann man nun in die Rechenmodelle einfügen, mit denen man die Supraleitung des Materials beschreibt.“

Wichtige Voraussetzung für die Suche nach besseren Nickelaten

So gelang es nun erstmals, die elektronische Struktur des Materials genau zu erklären und ein parametrisiertes theoretisches Modell für die Beschreibung der Supraleitung in Nickelaten aufzustellen. „Damit kann man nun der Frage auf den Grund gehen, wie sich die Mechanik des Effekts auf Ebene der Elektronen erklären lässt“, sagt Jan Kuneš. „Welche Orbitale spielen eine entscheidende Rolle? Auf welche Parameter kommt es im Detail an? Das muss man wissen, wenn man herausfinden möchte, wie man dieses Material weiter verbessern kann, um eines Tages vielleicht neue Nickelate herzustellen, deren Supraleitung bis zu noch deutlich höheren Temperaturen bestehen bleibt.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Jan Kuneš
Institut für Festkörperphysik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
+43 1 58801 13761
jan.kunes@tuwien.ac.at

Originalpublikation:

K. Highashi et al., Core-Level X-Ray Spectroscopy of Infinite-Layer Nickelate: LDA+DMFT Study, Phys. Rev. X 11, 041009 (2021).
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041009

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