Im Labor der Cornell University haben Physiker unerwartet entdeckt, dass die Supraleitung in Eisenselenid FeSe nicht von der Anzahl der Elektronen abhängt, sondern davon, wie perfekt das Kristallgitter des Materials ist. Dieses Ergebnis verändert die gewohnte Vorstellung von Hochtemperatursupraleitern und eröffnet einen neuen Weg zu ihrer Steuerung.
Üblicherweise verändern Wissenschaftler in solchen Materialien die Anzahl der Elektronen – das sogenannte Dotieren –, um in den „Kuppel“-Bereich der Supraleitung zu gelangen, in dem das Material bei relativ hohen Temperaturen seinen Widerstand verliert. Bei FeSe erwies sich jedoch alles anders. Die Forscher unter der Leitung von Kyle Shen zeigten, dass die Kurve dieser Kuppel eng mit der Streuung von Elektronen an Gitterdefekten zusammenhängt und nicht mit der Konzentration der Ladungsträger.
Man stelle sich städtische Straßen vor: Sind die Wege eben und ohne Schlaglöcher, fahren die Autos schnell und ungehindert. Sobald jedoch Schlaglöcher und Hindernisse auftauchen, verlangsamt sich der Verkehr, selbst wenn nicht mehr Autos hinzugekommen sind. So ist es auch im FeSe-Kristall: Die Elektronen „stolpern“ über Unvollkommenheiten des Gitters, und genau das bestimmt, wann das Material supraleitend wird.
Der Postdoktorand Paul Malinowski, Erstautor der in PNAS veröffentlichten Arbeit, erklärt: „Wir haben herausgefunden, dass die Kuppel in diesem Material von etwas ganz anderem gesteuert wird, als man es gewohnt ist. Nicht davon, wie viele Elektronen man hinzufügt, sondern davon, auf welche Hindernisse sie auf ihrem Weg treffen – davon, wie perfekt oder unvollkommen das Kristallgitter ist.“
Die Experimentatoren nutzten eine neue Methode zur Kontrolle von FeSe und maßen, wie sich der Widerstand bei verschiedenen Graden der Unordnung verändert. Es zeigte sich, dass minimale Unordnung die höchste Supraleitungstemperatur ermöglicht, während eine bloße Veränderung der Elektronenzahl einen viel geringeren Effekt hat. Dies unterscheidet FeSe von den meisten anderen eisenhaltigen Supraleitern.
Die Entdeckung ist nicht nur für die Grundlagenphysik wichtig. Das Verständnis der Rolle struktureller Unordnung kann helfen, stabilere und besser steuerbare Materialien für künftige Technologien zu entwickeln – von leistungsstarken Magneten bis hin zu Quantengeräten. Je reiner das Gitter, desto näher sind wir der praktischen Nutzung der Hochtemperatursupraleitung.
