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Festkörperphysik: Supraleitung in nur einer Atomlage möglich

Herstellung des supraleitenden FilmsLaden...
In einem Hochtemperatur-Supraleiter reicht eine einzige Atomlage aus, um Strom verlustfrei zu leiten. Bisher war der Nachweis nicht gelungen, da die dafür notwendigen ultradünnen Schichten nicht hergestellt werden konnten und zudem Methoden fehlten, um die supraleitenden Eigenschaften im atomaren Maßstab nachzuweisen.

Ivan Bozovic und seine Kollegen vom Brookhaven National Laboratory in Upton im US-Bundesstaat New York stellten zunächst einen dickeren Film her, in dem sich Schichten aus Kupferoxid und einem Isoliermaterial abwechselten. Unterhalb einer bestimmten Temperatur bildete sich an den Grenzflächen der beiden Materialien eine supraleitende Schicht. Daraufhin brachten die Physiker in einzelne Atomlagen Zinkatome ein, wodurch die Supraleitung hier unterdrückt wurde.

DoppelschichtfilmLaden...
Doppelschichtfilm | Anstatt direkt eine einzelne Atomlage anzufertigen, stellten Bozovic und sein Team einen dickeren Film her. Dabei schichteten sie eine Atomebene auf die nächste: sechs Schichten aus isolierendem Lanthan-Kupferoxid, darüber sechs Schichten aus metallischem Lanthan-Strontium-Kupferoxid. Elektronen "sickern" zwischen den beiden Kupferoxiden hindurch und erzeugen dadurch eine supraleitende Schicht in dem Material.
Nach und nach reduzierten sie auf diese Weise die Anzahl der leitfähigen Atomlagen vor der Grenzfläche und maßen jeweils die Temperatur, bei der die Supraleitung einsetzte. Erst als die Forscher um Bozovic die vorletzte Kupferoxidlage mit Zinkatomen versahen, sank die Übergangstemperatur von 32 auf 18 Grad über dem absoluten Nullpunkt ab. Dies liefere einen klaren Hinweis darauf, dass diese Schicht die relativ hohe Übergangstemperatur verantworte, so die Wissenschaftler. Nichtsdestoweniger konnten sie zeigen, dass der Strom auch in einer einzelnen, weniger als einen Nanometer dicken Kupferoxidebene noch verlustfrei floss.

Die in diesem Experiment eingesetzte Technik könnte womöglich genutzt werden, um künftig ultradünne Schichten mit "einstellbarer" Supraleitung herzustellen, so die Wissenschaftler. So ließe sich die Supraleitung etwa durch ein äußeres elektrisches Feld kontrollieren. Dies sei aber nur bei äußerst dünnen Filmen möglich, da das elektrische Feld nicht mehr als rund einen Nanometer in Metalle eindringt, erläutert Bozovic.

Im April 2009 hatten Forscher gezeigt, dass ein nur zwei Monolagen dicker Metallfilm noch über supraleitende Eigenschaften verfügen kann. (mp)
45. KW 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 45. KW 2009

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