News | 10.04.2002 | Drucken | Teilen

Überraschung bei Fulleren-Supraleitern

Fullerene, in denen durch ein elektrisches Feld Ladungsträger induziert werden, gehören neben einigen keramischen Kupferoxid-Verbindungen zu den Hochtemperatur-Supraleitern. Bisher vermuteten Wissenschaftler, dass sich bei den Fullerenen die Sprungtemperatur durch eine Vergrößerung der Gitterkonstante systematisch anheben lässt. Einer Forschergruppe ist es jetzt gelungen, die Struktur der Fulleren-Supraleiter mit den höchsten Sprungtemperaturen aufzuklären. Dabei stellten sie fest, dass der bislang akzeptierte Mechanismus den beobachteten Anstieg nicht erklären kann.
Fulleren-Supraleiter
© Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
Fulleren- Supraleiter
© Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
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Die Supraleitung ist einer der faszinierendsten makroskopischen Quanteneffekte. Ein Supraleiter zeichnet sich dadurch aus, dass sein elektrischer Widerstand beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur – die Sprungtemperatur – völlig verschwindet; das heißt, er leitet elektrischen Strom ohne jegliche Verluste. Dieser Effekt wurde schon 1911 in Quecksilber entdeckt und ist bei vielen Metallen zu beobachten.

Allerdings liegen typische Sprungtemperaturen für reine Metalle unterhalb von zehn Kelvin, was eine aufwändige Kühlung mit flüssigem Helium erforderlich macht. Wesentlich einfacher, nämlich mit flüssigem Stickstoff, lässt sich die Supraleitung nutzen, wenn die Sprungtemperatur den Wert von 77 Kelvin überschreitet – dem Reich der Hochtemperatur-Supraleiter. Bis zum Jahr 2001 übertrafen einzig die oxidischen Kuprate diese Grenze.

Doch im Jahr 2001 bekam die Familie der Hochtemperatur-Supraleiter Zuwachs. Es handelt sich bei den neuen Supraleitern jedoch nicht einfach um neue Materialien, die man nur abkühlen muss, damit sie supraleitend werden. Vielmehr sind es elektronische Bauteile, bei denen erst durch das Anlegen einer äußeren Spannung die Voraussetzungen für die Supraleitung geschaffen werden.

Diese Bauteile basieren auf Kristallen aus C60-Molekülen, den so genannten Fullerenen oder Buckyballs. Diese Kristalle sind normalerweise isolierend. Legt man jedoch ein starkes elektrisches Feld an, so lassen sich in sie Ladungsträger injizieren und das Material wird in einer dünnen Schicht leitend – das Prinzip des Feldeffekt-Transistors (FET). Kühlt man ein solches Bauteil ab, verschwindet der elektrische Widerstand unterhalb von 52 Kelvin und Supraleitung tritt in diesen Feld-dotierten Fullerenen auf.

Ein ähnliches Verhalten zeigen Kristalle aus C60-Molekülen, die mit Alkalimetall-Atomen chemisch dotiert sind. Diese Materialien unterscheiden sich von den Feld-dotierten Fullerenen hauptsächlich dadurch, dass die Ladungsträger auf chemischem Wege statt durch das Anlegen eines elektrischen Feldes bereitgestellt werden. Von diesen alkali-dotierten Fullerene ist bekannt, dass ihre Sprungtemperatur vom Abstand zwischen benachbarten C60-Molekülen im Kristallgitter abhängt: Je größer der Abstand ist, desto größer ist auch die Sprungtemperatur. Dies führen Wissenschaftler darauf zurück, dass mit wachsendem Abstand zwischen den Molekülen die so genannte Zustandsdichte und damit die Anzahl der Elektronen wächst, die zur Supraleitung beitragen können.

Deshalb lag die Vermutung nahe, dass sich auch in den Feld-dotierten Fullerenen die Sprungtemperatur erhöhen lässt, wenn es gelingt, den Abstand zwischen den Molekülen zu vergrößern. Tatsächlich waren entsprechende Experimente erfolgreich: Durch Einlagerung (Interkalation) von Chloroform- und Bromoform-Molekülen zwischen die C60-Moleküle gelang es, Sprungtemperaturen von bis zu 117 Kelvin zu erreichen. Allerdings war bis heute die Struktur dieser interkalierten Kristalle bei tiefen Temperaturen und mithin auch ihre Zustandsdichte nicht bekannt.

Dieser Fragestellung sind Robert Dinnebier vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung und seine Kollegen nachgegangen. Dabei wurden die erforderlichen Strukturuntersuchungen bei tiefen Temperaturen gemeinsam mit Peter Stephens an der National Synchrotron Light Source in Brookhaven durchgeführt. Diese Messdaten erlaubten es den Stuttgarter Forschern, die Kristallstruktur der interkalierten Fullerene exakt zu bestimmen. Für die weitere Interpretation der Ergebnisse erwies sich die enge interdisziplinäre Verknüpfung von Physik, Chemie und Theorie am Max-Planck-Institut als sehr nützlich: Die Theoretiker um Olle Gunnarsson brachten aus ihren bisherigen Arbeiten über alkali-dotierte Fullerene die nötige Erfahrung mit, um aus den Strukturdaten auch die Zustandsdichte der Elektronen in den interkalierten Fullerenen zu bestimmen.

Zur großen Überraschung aller beteiligter Wissenschaftler zeigte sich bei dieser Analyse, dass der beobachtete Anstieg der Sprungtemperatur bei den mit Chlorform- und Bromoform- interkalierten C60-Kristallen – entgegen der bisherigen Annahmen – nicht mit einem Anstieg der elektronischen Zustandsdichte zusammenhängt. Martin Jansen, der Leiter des Forscherteam meint: "Damit steht fest, die Zustandsdichte ist nicht der einzige wichtige Parameter für die Supraleitung in den Feld-dotierten Fullerenen. Jetzt ist die Theorie gefordert, jene zusätzlichen Effekte zu identifizieren, die tatsächlich zu dem beobachteten Anstieg der Sprungtemperatur führen. Dies könnte völlig neue Perspektiven für die weitere systematische Erhöhung der Sprungtemperatur von Fulleren-Supraleitern eröffnen."

© Max-Planck-Gesellschaft