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Materialwissenschaften: Phasenweise veränderlich

Ein französisches Forscherteam hat das Tor zu einer ganz neuen Klasse von Versuchen geöffnet, um der Quantenmechanik weitere Geheimnisse zu entlocken.
Seit den berühmten Experimenten von Galileo Galilei zu den Fallgesetzen bedeutet Forschung, der Natur systematisch Antworten zu entlocken, um sich eine Vorstellung über die dort herrschenden Kräfte und Elemente machen zu können. Einfache Antworten erhält bereits jeder, der sich aufmerksam in der Welt umschaut. Um an tiefe Erkenntnisse zu gelangen, muss man der Natur außergewöhnliche Fragen stellen und sie dazu radikalen Umweltbedingungen aussetzen: extremer Kälte beispielsweise oder hohen Drücken sowie starken elektromagnetischen Feldern.

Das ist gängige Arbeitsweise unzähliger Wissenschaftler in Laboratorien rund um den Globus. Florence Levy und ihr Team vom Commissariat à l'Energie Atomique (CEA) in Grenoble bilden da keine Ausnahme. Sie untersuchten eine ferromagnetische Verbindung aus Uran, Rhodium und Germanium und machten eine überraschende Entdeckung: Das supraleitende Material gewinnt bei starken Magnetfeldern seine Eigenschaft zurück, Strom widerstandslos zu transportieren, nachdem es diese Fähigkeit bei schwächerem Feld bereits verloren hatte.

Ferromagnete wie die untersuchte Verbindung sind Stoffe, bei denen sich in einigen Mikrometer großen Bereichen des Festkörpers – "Domäne" oder "Weiß'sche Bezirke" genannt – die elementaren magnetischen Momente der Atome jeweils parallel anordnen. Derartige Materialien lassen sich dementsprechend durch Elektro- oder Permanentmagnete magnetisieren. Zu dieser Gruppe gehören beispielsweise Nickel, Kobalt oder Eisen. Vom lateinischen ferro, was übersetzt Eisen bedeutet, leitet sich auch der Name ab.

Oberhalb einer jeweils materialabhängigen Temperatur verlieren diese Stoffe jedoch auf Grund thermischer Bewegungen ihre ferromagnetische Ordnung. Physiker bezeichnen diesen Vorgang als einen Phasenübergang. Das ist so ähnlich wie mit Eis, das schmilzt und dadurch ebenso ganz andere physikalische Eigenschaften annimmt als vorher.

Der Messpunkt, bei dem die ferromagnetische Ordnung aufbricht, heißt zu Ehren von Pierre Curie Curie-Temperatur. Durch Ausüben von Druck oder durch Anlegen starker Magnetfelder können Experimentatoren diese Übergangstemperatur nun beeinflussen.

Die von Levy und ihrem Team untersuchte Verbindung wird nun erst bei einer Temperatur von neuneinhalb Kelvin ferromagnetisch. Bei derart tiefen Temperaturen spielen thermische Bewegungen nur noch eine untergeordnete Rolle. Hier, nahe am absoluten Nullpunkt der Temperaturskala, gewinnen quantenmechanische Prozesse bereits die Oberhand.

Um diese Phänomene genauer unter die Lupe zu nehmen, brachten viele Kollegen von Levy bereits verschiedene Proben genau an diesen kritischen Punkt, an dem die quantenmechanischen Kräfte beginnen zu dominieren. Bislang arbeiteten sie dabei ausschließlich mit enormen Drücken.

Interessanterweise zeigt sich, dass das untersuchte Material oft supraleitend wird, bevor es die kritische Curie-Temperatur erreicht. Auch das entspricht nach Ansicht der Physiker einem Phasenübergang: Die im Festkörper mehr oder weniger gebundenen Elektronen finden sich jeweils paarweise zusammen und bewegen sich dann ohne jeglichen Energieverlust frei zwischen dem Atomgitter hindurch.

Levy beschritt nun jedoch einen äußerst unkonventionellen Weg: Sie malträtierte ihre Proben mit starken Magneten. Supraleitung sollte sich dabei eigentlich nicht einstellen, denn der widerstandslose Ladungstransport verträgt sich normalerweise nicht mit der Anwesenheit von magnetischen Feldern. Deshalb war das Team gespannt, welche quantenmechanischen Phänomene es zu beobachten bekäme.

Erwartungsgemäß zerstörte das magnetische Feld ab einer Stärke von etwa zwei Tesla – das entspricht etwa dem tausendfachen eines großen Hufeisenmagneten – die vorher sowieso nur schwach ausgeprägte Supraleitung der Uran-Rhodium-Germanium-Verbindung. Zu ihrer großen Überraschung und ganz im Gegensatz zu gängigen Theorien tauchte der widerstandslose Stromfluss bei einem etwa fünfmal so starken Feld jedoch wieder auf. So etwas ist bislang noch nicht beobachtet worden.

Nach Ansicht der Wissenschaftler eröffnet das einen ganz neuen Ansatz zur Suche nach neuartigen Supraleitern: Man bringe ein Material an den Punkt, an dem quantenmechanische Vorgänge überwiegen, und halte dann nach stromlosem Ladungstransport Ausschau.

Zwar geben die Autoren zu, den Grund für das neue Hervortreten der Supraleitung noch nicht bis ins einzelne verstanden zu haben. Sie hoffen aber, mit ihrer Arbeit nun einen experimentellen Weg vorgezeichnet zu haben, auf dem es noch viel zu entdecken gibt, was uns dem Verständnis über die Kräfte und der Elemente der Natur – insbesondere der quantenmechanischen – ein gutes Stück näher bringt.

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