Supraleitung unter Spannung

News: Supraleitung unter Spannung

Im Jahr 1986 entdeckten Forscher, dass manche keramischen Kupferoxide selbst bei vergleichsweise hohen Temperaturen supraleitend sind. Doch bis heute konnte man nicht vollständig klären, was den Effekt bewirkt. Offenbar spielen Dotierungen eine Rolle, doch ist deren Einfluss nur schwierig von begleitenden strukturellen Veränderungen zu trennen. Nun gelang es Wissenschaftlern, eine Kupferoxid-Verbindung zu dotieren, ohne ein Fremdatom in den Kristall zu schleusen, sondern einfach, indem sie eine Spannung zwischen einer Metallelektrode und dem Material anlegten.

Thorsten Krome

Seit gut neunzig Jahren weiß man, dass bestimmte Metalle, wie Quecksilber, Blei und Zinn, bei sehr tiefen Temperaturen von nur einigen Kelvin ihren elektrischen Widerstand verlieren. Supraleiter nennt man sie deshalb. Doch es gibt auch Materialien, die selbst bei vergleichsweise hohen Temperaturen jenseits des Siedepunkts von Stickstoff noch supraleitend sind. Im Jahr 1986 entdeckten Georg Bednorz und Alexander Müller diese keramischen Kupferoxid-Verbindungen, schon im Jahr darauf erhielten sie hierfür den Nobelpreis für Physik.

Mittlerweile sind Hochtemperatur-Supraleiter bekannt, deren Übergangstemperatur bei 134 Kelvin liegt – ja sogar bei 164 Kelvin, wenn sie unter Druck stehen. Erreichen konnten Wissenschaftler dies, indem sie der Verbindung Fremdatome hinzugaben, das Material also dotierten, um zusätzliche Ladungsträger einzubringen. Da jedoch der genaue Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung unbekannt ist, war es mehr ein Probieren, bis die richtigen Zusätze gefunden waren.

Mit einer neuen Methode lässt sich diese Suche nach weiteren Verbindungen vielleicht vereinfachen: Hendrik Schön von den Bell Laboratories in Murray Hill und seine Kollegen konnten in eine Calcium-Kupfer-Oxid-Verbindung – einen Isolator – Ladungsträger einbringen, indem sie zwischen einer Metallelektrode und dem Kristall eine Spannung anlegten. Bei einer positiven Spannung injizierten sie Elektronen in das Material, bei einer negativen Löcher. So gelang es den Forschern, die Zahl der Ladungsträger zu manipulieren, ohne dass sie dazu fremde Elemente in das Material einbringen mussten.

Wie sich zeigte, wurde die Verbindung tatsächlich supraleitend, wobei die Sprungtemperatur zwischen 34 Kelvin und 89 Kelvin variierte, je nachdem, ob Elektronen oder Löcher injiziert wurden. So ließen sich die supraleitenden Eigenschaften des Materials genau einstellen, ohne dass dadurch etwa das Kristallgitter beeinflusst wurde, wie es beispielsweise bei der Dotierung mit Elementen der Fall wäre. Alle Effekte ließen sich also allein auf die jeweilige Ladungsträgerkonzentration zurückführen.

Somit gestattet diese Technik den Physikern, das Verhalten von Hochtemperatur-Supraleitern systematisch zu erkunden. Und vielleicht gelingt es damit auch, Zusätze zu finden, die noch höhere Sprungtemperaturen bei Hochtemperatur-Supraleitern bewirken.