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News: Elektronenwolken eines Supraleiters

Supraleiter sind ein begehrtes Forschungsobjekt, und sie haben den beteiligten Wissenschaftlern schon fünf Nobelpreise eingebracht. Aber noch immer hüten die Hochtemperatur-Supraleiter so manches Geheimnis. Dazu gehört auch die grundlegende Frage, wie sich die Elektronen in ihnen überhaupt bewegen. Mit einem Rastertunnelmikroskop konnten Forscher nun die Elektronenwolken um gezielt eingebrachte Fremdatome abbilden. Das wird vielleicht einige der Schleier lüften, die um den Funktionsmechanismus der Materialien liegen.
Hochtemperatur-Supraleiter lassen sich nicht gern in die Karten schauen. Seit ihrer Entdeckung im Jahre 1986 rätseln Wissenschaftler über den Mechanismus, mit dem diese Materialien den Strom widerstandsfrei leiten. Im Unterschied zu normalen Supraleitern, die bei etwa vier Kelvin funktionieren, benötigen Hochtemperatur-Supraleiter nur 87 Kelvin (minus 186 Grad Celsius). Die Kupferoxidverbindungen beziehungsweise Cuprate werden bereits in Stromtransformatoren, den Basisstationen mobiler Telefone und einigen experimentellen medizinischen Geräten, wie zum Beispiel Apparaten für Magnetresonanzaufnahmen, eingesetzt. Und der Traum vieler Forscher liegt natürlich darin, einen Supraleiter zu finden, der bei Raumtemperatur arbeitet.

Doch dafür müssen sie erst einmal verstehen, wie sich die Elektronen in einem Hochtemperatur-Supraleiter bewegen, denn das ist bis heute noch ungeklärt. Vielleicht helfen ihnen die Aufnahmen weiter, die J.C. Séamus Davis und seine Mitarbeiter von der University of California in Berkeley gemacht haben. Mit einem Rastertunnelmikroskop erhaschten die Physiker einen ersten Blick auf die Elektronenwolken um die Fremdatome in einem Cupratsupraleiter. Diese Verunreinigungen im Kristall bestimmen, bei welcher Temperatur ein Material supraleitend wird (Nature vom 17. Februar 2000).

Die Bilder entstehen, indem eine fein ausgezogene Spitze in einem Abstand von nur etwa einem Nanometer über die Oberfläche gleitet. Wenn die Spitze dabei über der Oberfläche schwebende Elektronenwolken berührt, fließt ein winziger Strom, der aufgezeichnet wird.

In ihrem neuen Experiment ersetzten die Forscher gezielt einige Kupferatome in der unter der Oberflächenschicht liegenden, eigentlichen supraleitenden Kupferoxidschicht durch Zinkatome. Diese Verunreinigung beeinträchtigt die Kristallstruktur und stört die Elektronenwolken um benachbarte Kupferatome, was die Wissenschaftler an der Oberfläche nachweisen konnten.

"Die Idee dahinter ist, dass die Verunreinigung mit dem Mechanismus interferiert, der die Supraleitung hervorruft, diese in der Umgebung der Verunreinigung zerstört und einen lokalisierten Zustand erzeugt", erklärt Alexander V. Balatsky vom Los Alamos National Laboratory. Die Wissenschaftler hoffen, den inneren Funktionsmechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung aufdecken zu können, indem sie herausfinden, wie er außer Kraft gesetzt wird – so wie ein Kind sein Spielzeug zerlegt, um zu verstehen, wie es funktioniert.

Auf den Aufnahmen sind deutlich kleeblattartige Elektronenwolken um die Zinkatome herum zu erkennen, in Übereinstimmung mit den d-Orbitalen, die diese angeregten Elektronen in Zink und Kupfer besetzten sollten. Offensichtlich haben sich die Zinkatome einige Elektronen von den Cooper-Paaren 'ausgeliehen', die für die Supraleitfähigkeit verantwortlich sind, und in den kleeblattförmigen Elektronenwolken angeordnet. Die Cooper-Paare in Hochtemperatur-Supraleitern sollen sich aus den Elektronen zweier benachbarter Kupferatome bilden, während sie bei Tieftemperatur-Supraleitern von Atomen stammen, die weit auseinander liegen können.

Die Bilder bestätigen nicht nur verbreitete Annahmen wie zum Beispiel die Kleeblattform des d-Orbitals. Sie lieferten auch einige neue Erkenntnisse, die sich mit den gängigen Theorien nicht erklären lassen. Weitere Experimente mit anderen Fremdatomen sollen helfen, die Fragen zu klären.

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