Supra-Ping-Pong mit Cupraten

News: Supra-Ping-Pong mit Cupraten

Eigentlich sind Supraleiter an sich schon recht exotische Materialien. Bei genügend tiefen Temperaturen verschwindet ihr elektrischer Widerstand und sie leiten Strom im Idealfall völlig verlustfrei. Doch in den Verbindungen stecken noch so manche Überraschungen. Pulverisierte Supraleiter, die man in ein elektrisches Feld bringt, vereinigen sich zum Beispiel zu einer Kugel, die dann zwischen den beiden Elektroden hin- und herflitzt.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern von der Southern Illinois University in Carbondale hat unter der Leitung von Xuesong Zhang Substanzen untersucht, die unter Einfluß eines elektrischen Feldes ihre Eigenschaften verändern. Meistens formen die fein pulverisierten Materialien entweder Ketten, die von einer Elektrode zur anderen reichen, oder es bilden sich kleine Körnchen, die zwischen Anode und Kathode hin und her pendeln.

Als die Wissenschaftler Experimente mit Cupraten begannen – supraleitende Verbindungen aus Kupfer, Sauerstoff und anderen Metallatomen – machten sie ganz andere Beobachtungen. Sie kühlten die Cuprate mit flüssigem Stickstoff und plazierten die Suspension zwischen den Elektroden. Dabei bildete sich spontan ein einziges Kügelchen mit einem Durchmesser von wenigen zehntel Millimetern. Und obwohl dieser kleine Ball heftig zwischen den beiden Elektroden hin und her katapultiert wurde, fiel er nicht auseinander. "Ich konnte kaum glauben, was ich da sah," sagt Zhang, "und so machte ich das Experiment mit anderen Cupraten. Die machten genau das selbe."

Die Wissenschaftler vermuten, daß dieses seltsame Verhalten von der besonderen Struktur der Cuprate herrührt. Die Kristalle bestehen aus Schichten. Dabei ist eine Ebene aus Kupfer- und Sauerstoffatomen zwischen zwei Schichten aus Seltenerdmetallen eingelagert. "Wenn ein Material supraleitend wird, maschieren alle Elektronen in den Schichten wie eine Armee", erklärt Mike Norman vom Argonne National Laboratory in Illinois. Anders als ein normaler Supraleiter formen die Cuprate eine Reihe kleinerer "Regimente", die schwach miteinander wechselwirken. Weil sie sich gegenseitig beeinflussen, bewegen sich allerdings die Regimenter aller Schichten in eine Richtung – sie marschieren im Gleichschritt. Daher können Elektronenpaare von einer Ebene in die andere wechseln, ohne daß dieser Vorgang besondere Störungen verursacht.

Ein Problem ergibt sich für die Elektronen der äußeren Schichten. Sie können nur in die inneren Bereiche wandern. In Gebiete also, in denen sich nur ordentlich gepaarte Elektronen befinden. Denn außerhalb der Körnchen herrscht das Chaos des Vakuums, dort können sie nicht hin, sagt Philip Anderson, Physiker von der Princeton University. Dadurch entsteht eine "Oberflächen-Energie", die das Material so weit wie möglich reduzieren will, indem es seine seine Oberfläche verkleinert. Die effektivste Art das zu tun, ist, eine Kugel zu bilden.

Zhang meint, daß dieses besondere Verhalten helfen könne, die Theorien über Supraleitung zu verfeinern, weil sowohl Größe als auch Stabilität dieser Bälle ein Maß für die "Oberflächen-Energie" seien. Damit ist Wissenschaftlern die Möglichkeit geben, indirekt die Kräfte zwischen den Schichten eines supraleitenden Kristalls zu messen, so Zhang.

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