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Hochtemperatur-Supraleitung: Spin-Dynamik statt Dotierungseffekt!

Welcher Effekt liegt der Hochtemperatur-Supraleitung zugrunde? Forscher der Technischen Universität München (TUM) konnten nun eine wichtige Streitfrage dazu klären: Dotierungseffekte sind dafür nicht verantwortlich, sondern die sich sprunghaft ändernde Vorzugsrichtung der Elektronenbewegung.

Dr. Jitae Park am Dreiachsen Spektrometer PUMA Bildquelle: © Volker Lannert / DAAD

Dr. Jitae Park am Dreiachsen-Spektrometer PUMA: »Mit unserem Experiment haben wir gezeigt, dass die Hochtemperatursupraleitung Ausdruck einer sich sprunghaft ändernden Vorzugsrichtung der Elektronenbewegung ist. Damit kann sich die Forschung in Zukunft auf die Beziehung zwischen der Spin-Dynamik in nematischen Phasen und der Hochtemperatur-Supraleitung konzentrieren.«

Dr. Jitae Park, Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und seinen Kollegen vom Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics und aus dem Department of Physics and Astronomy der Rice University in Houston/Texas gelang es, zu zeigen: Das Entstehen der nematischen Phasen (elektromagnetische Bereiche mit einer Vorzugsrichtung, siehe unten) ist sehr stark von kollektiven Veränderungen der Spins der Elektronen abhängig. Sie entstehen deutlich oberhalb der Sprungtemperatur, bei der die Supraleitung einsetzt. In dem Augenblick, in dem die Supraleitung ihr Maximum erreicht, verschwinden die nematischen Phasen vollständig.

Diese Erkenntnis gewannen sie mit Hilfe des Dreiachsenspektrometer PUMA im Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching. Dort untersuchten die Wissenschaftler Proben eines eisenhaltigen Hochtemperatur-Supraleiters bei verschiedenen Temperaturen unter Zugabe einer winzigen Menge Nickel.

Die Zugabe der winzigen Mengen von Nickel ist dabei besonders interessant, weil es bisher die Theorie gab, dass die Verunreinigungen durch Nickel die Ursache für die Änderungen in der Symmetrie der elektromagnetischen Phasen von Hochtemperatur-Supraleitern sei. Eine Gruppe von Wissenschaftlern hatte bei Untersuchungen mit einem Rastertunnelmikroskop nämlich kleinste Verunreinigungen entdeckt. Sie vermuteten daher, dass diese für die Ausbildung der nematischen Phasen verantwortlich seien – ähnlich wie bei Silizium, das erst durch Dotierung mit kleinsten Verunreinigungen leitfähig wird. Ergebnis: Das Auftreten der nematischen Phase steht in keiner direkten Beziehung zur Verunreinigung durch Nickel.

»Mit unserem Experiment haben wir gezeigt, dass die Hochtemperatursupraleitung nicht auf einem Dotierungseffekt beruht, sondern Ausdruck einer sich sprunghaft ändernden Vorzugsrichtung der Elektronenbewegung ist«, sagt Jitae Park, der das Experiment an der Forschungs-Neutronenquelle (FRM II) der TU München durchführte. »Damit kann sich die Forschung in Zukunft auf die Beziehung zwischen der Spin-Dynamik in nematischen Phasen und der Hochtemperatur-Supraleitung konzentrieren.«