Neue Einblicke in die Mechanismen der Supraleitung

Neue Einblicke in die Mechanismen der Supraleitung

03.02.2016
© RUB, Theoretische Physik III, AG Eremin
In „Nature Physics“ beschreiben Forscher die magnetischen Eigenschaften eines Eisen-Arsenid-Supraleiters. Hier zu sehen ist die Kristallstruktur des Materials bei einer Temperatur von zehn Kelvin. Während einige Eisenatome (rot) gar nicht magnetisch sind, sind andere Eisenatome (rot mit Pfeil) stark magnetisch.

Warum bestimmte Materialien bei tiefen Temperaturen supraleitend werden, ist nicht vollständig verstanden. Eine wellenförmige Magnetisierung könnte der Grund sein.

Strom verlustfrei leiten

Supraleiter können Strom verlustfrei leiten. Allerdings nur wenn sie auf sehr tiefe Temperaturen heruntergekühlt werden. Unterhalb der kritischen Temperatur fällt ihr elektrischer Widerstand auf null. Dieser Effekt beruht auf der Bildung von Elektronenpaaren, die leichter durch das Material fließen können als einzelne Elektronen.

Da Elektronen negativ geladen sind, stoßen sie sich normalerweise gegenseitig ab. Wie sich dennoch Paare aus ihnen bilden, ist für unkonventionelle Supraleiter noch nicht verstanden. Bereits 2014 stellte ein deutsch-amerikanisches Forscherteam die Theorie auf, dass magnetische Wechselwirkungen entscheidend sein könnten.
Diese Theorie bestätigte die Gruppe, der auch Prof. Dr. Ilya Eremin vom Lehrstuhl für Theoretische Physik der RUB angehört, nun mit neuen Experimenten und Berechnungen. Die Forscher berichten die Ergebnisse in der Zeitschrift „Nature Physics“.

Sie untersuchten das Matetrial Eisen-Arsenid, das bei –240 Grad Celsius supraleitend wird. Bei Raumtemperatur sind seine Atome in einem quadratischen Kristallgitter angeordnet, das vierfach symmetrisch ist. Kühlt man das Material soweit ab, dass es supraleitend wird, verformt sich das Kristallgitter.

In der vorangegangenen Studie zeigten die Wissenschaftler, dass Eisen-Arsenid, kurz bevor es supraleitend wird, noch einmal eine vierfach symmetrische Kristallstruktur annimmt. Sie hatten damit eine neue magnetische Phase in diesem Material entdeckt. In der aktuellen Studie ergründeten sie die magnetischen Eigenschaften dieses Zustands genauer.

Wellenförmige magnetische Eigenschaften

Das Ergebnis: Die vierfach symmetrische Kristallphase des Eisen-Arsenids ist ungleichmäßig magnetisiert. Die Hälfte der Eisenatome ist nicht magnetisch. Die andere Hälfte ist doppelt so stark magnetisch wie in einer anderen Kristallstruktur, die beim Abkühlen des Materials auftritt. Weitere Untersuchungen deuteten darauf hin, dass sich die magnetischen Eigenschaften in dem Supraleiter wellenförmig verändern. Diese magnetischen Wechselwirkungen könnten die Bildung von Elektronenpaaren begünstigen.

Originalveröffentlichung

J.M. Allred et al. (2016): Double-Q spin-density wave in iron arsenide superconductors, Nature Physics, DOI: 10.1038/nphys3629

Text: Julia Weiler

Weitere Informationen

Prof. Dr. Ilya Eremin, Institut für Theoretische Physik III der Ruhr-Universität, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-26604 Ilya.Eremin@rub.de