Im Jahr 1986 stellte die Entdeckung der Supraleitung in keramischen Materialien auf Kupferbasis – den Kupraten – die Vorstellungen der Physiker auf den Kopf. Die Übergangstemperatur in den supraleitenden Zustand stieg plötzlich um ein Mehrfaches über die bisherige Grenze, und die gewohnte BCS-Theorie, die das Phänomen durch Gitterschwingungen erklärte, funktionierte nicht mehr.
Ein internationales Team unter der Leitung von Professor Nigel Hussey von der Radboud-Universität und HFML-FELIX hat gemeinsam mit Kollegen aus China, Großbritannien und den USA endlich den entscheidenden Mechanismus gefunden. Die Forscher zeigten, dass in elektronendotierten Kupraten wie Lanthan-Cerium-Kupfer-Oxid die Elektronen Paare gerade durch die Wechselwirkung mit Spin-Fluktuationen bilden – schnellen Schwingungen der winzigen magnetischen Momente der Atome.
Um dies zu beweisen, stellten die Wissenschaftler einen besonderen dünnen Film mit einem sanften Gradienten der kritischen Temperatur entlang der Länge her. Lithografische Kontakte ermöglichten es, den Widerstand bei verschiedenen Werten der Übergangstemperatur zu messen und dabei ein gleichbleibendes Maß an Unordnung zu bewahren. Die Analyse der Daten in starken Magnetfeldern ergab: Die Hauptquelle des Widerstands ist die Streuung der Elektronen an fluktuierenden Spins, und die Stärke dieser Wechselwirkung korreliert direkt mit der Supraleitungstemperatur.
Die Analogie ist einfach: Stellen Sie sich den Elektronenstrom als eine Menschenmenge in der U-Bahn vor. Spin-Fluktuationen sind die plötzlichen „Stöße“ von den Nachbarn, die in einem gewöhnlichen Metall die Bewegung behindern, in Kupraten jedoch den Elektronen helfen, sich zu Paaren zu „verketten“ und sich ohne Verluste zu bewegen. Gerade diese Verbindung, nicht die Schwingungen der Ionen, erwies sich als entscheidend.
Die Arbeit zeigte jedoch auch eine zweite, bislang unbekannte „Zutat“. Selbst wenn man die Wechselwirkung mit den Spins verstärkt, lassen sich die Rekordtemperaturen, die in anderen Familien von Kupraten beobachtet werden, nicht erreichen. Die Suche nach dem fehlenden Faktor wird nun zur Hauptaufgabe der Theoretiker.
Die Ergebnisse sind in Nature Physics veröffentlicht und bringen den Moment näher, in dem Hochtemperatur-Supraleiter bei Temperaturen arbeiten können, die ohne teure Kühlung erreichbar sind. Dies wird den Weg zu hocheffizienten Stromleitungen, leistungsstarken Magneten für die Medizin und Quantentechnologien der Zukunft ebnen.
