Anders als ihr Name vermuten lässt, müssen auch Hochtemperatur-Supraleiter auf extrem niedrige Temperaturen gebracht werden, damit sie wie gewünscht verlustfrei Strom leiten. Ihr Vorteil gegenüber gewöhnlichen Supraleitern: Statt -250 Grad Celsius genügen manchmal schon -196 Grad Celsius, weshalb man auf kostspieliges Helium verzichten kann und mit billigerem flüssigen Stickstoff kühlt. Das macht Hochtemperatur-Supraleiter gerade für technische Umsetzungen sehr interessant.

Warum sie allerdings bei diesen "hohen" Temperaturen funktionieren, ist Forschern noch immer ein Rätsel. Ein supraleitendes Material hat die besondere Eigenschaft, dass der Stromtransport unterhalb einer bestimmten Temperatur nicht mehr durch einzelne Elektronen erfolgt, sondern durch gebundene Elektronenpaare – so genannte Cooper-Paare –, die sich widerstandsfrei durch das Material bewegen. Eigentlich stoßen sich Elektronen gegenseitig ab, da sie elektrisch geladen sind. Damit sich die Paare bilden, müssen neben sehr niedrigen Temperaturen bestimmte Bedingungen vorliegen. Die häufigste Ursache bilden Schwingungen im Kristallgitter, so genannte Phononen. Bewegen sich Elektronen über regelmäßig angeordnete, positiv geladene Atome, ziehen sie das Ionengitter an und versetzen es dadurch in Schwingungen. Verformt sich das Gitter, befindet sich mehr positive Ladung an einer bestimmten Stelle, was dazu führt, dass ein zweites Elektron angezogen wird. Diese stetige Wechselwirkung zwischen den Phononen und den sich bewegenden Elektronen erzeugt schließlich die Cooper-Paare.

Anders als bei gewöhnlichen Supraleitern wissen Physiker bisher nur sehr wenig über Hochtemperatur-Supraleiter. Sie nehmen an, dass sich Elektronen auch hier anziehen und Cooper-Paare bilden, wissen aber nicht warum. Denn gängigen Berechnungen zufolge müsste die Kopplung der Elektronen an das schwingende Ionengitter zu schwach sein, um bei erhöhten Temperaturen die Bildung von Elektronenpaaren zu erlauben.

Simon Gerber von der Stanford University und seine Kollegen haben nun eine Untersuchung in "Science" veröffentlicht, die nahelegt, dass die Vorstellungen über die Vorgänge im Material an einigen Stellen korrigiert werden müssen. Ihrer Untersuchung an Eisenselenid, einem gebräuchlichen Hochtemperatur-Supraleiter, zufolge sind Elektronen wesentlich stärker an Phononen gebunden als bisher gedacht. Das könnte erklären, warum auch bei höheren Temperaturen Cooper-Paare in Hochtemperatur-Supraleitern existieren.

Gerber und Team nutzten dafür zwei Methoden aus der zeitaufgelösten Kristallografie. Dabei werden mittels Lasern ultrakurze – nur 10^-15 Sekunden lange – Lichtimpulse abgegeben, die das untersuchte Material reflektiert. Aus dem Winkel und der Intensität des reflektierten Lichtstrahls können Wissenschaftler sehr genaue Aussagen über die Eigenschaften eines Festkörpers treffen.

Die Elektronen in Eisenselenid wechselwirken stark miteinander, was theoretische Berechnungen erschwert. Die Forscher gehen davon aus, dass das komplexe Zusammenspiel der sich stark abstoßenden Teilchen die Bindung zwischen Elektronen und Phononen erhöht.