Wissenschaftlern der Bell Labs im US-Bundesstaat New Jersey ist es gelungen, mittels des einfach gebauten Hochtemperatursupraleiters Calciumkupferoxid Leitungsprozesse in viel komplizierter gebauten Hochtemperatursupraleitern zu simulieren. Dazu änderten sie mittels einer an dem Supraleiter angelegten Spannung dessen Ladungsträgerkonzentration. Die Forscher berichten über ihre Experimente in der aktuellen Ausgabe des britischen Wissenschaftsmagazins Nature (Vol 414 Nr. 6862).
Ausgangspunkt der Experimente des Physikerteams um Hendrik Schön war die Idee, Leitungsprozesse in komplex aufgebauten Hochtemperatursupraleitern mit einem einfach gebauten Modellsystem zu analysieren. Da die elektrischen Eigenschaften von Mitgliedern der Familie der Hochtemperatursupraleiter im wesentlichen von deren Ladungsträgerkonzentrationen abhängen, entwickelte das Team eine elektrische Anordnung zur Änderung der Ladungsträgerkonzentration in dem einfachsten aller Hochtemperatursupraleiter – in Calciumkupferoxid. Mittels einer Elektrodenanordnung konnte über einer Materialprobe aus Calciumkupferoxid eine positive oder negative Spannung angelegt und damit die Konzentration der freien Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) verändert werden.
Die Forscher untersuchten anschließend das Verhalten des elektrischen Widerstandes der so in ihrer Ladungsträgerkonzentration veränderten Calciumkupferoxidprobe über einen weiten Temperaturbereich. Unterhalb einer bestimmten Übergangstemperatur trat in der Tat Supraleitung auf – der elektrische Widerstand der Probe ging gegen null. Die so erzielten Widerstand-Temperaturkurven glichen in der Tat analogen an viel komplizierter gebauten Hochtemperatursupraleitern der gleichen Ladungsträgerkonzentration gemessenen Kurven. Mittels Messungen an Calciumkupferoxid scheint es daher in der Tat möglich zu sein, das Verhalten von Hochtemperatursupraleitern aus viel komplizierter gebauten Kristallgittern zu simulieren – wenn nur die Ladungsträgerkonzentration dem entsprechenden Wert des zu simulierenden Supraleiters angepasst wird.
Die Forscher hoffen, auf diese Weise mehr über den bisher im Dunkeln liegenden Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung zu erfahren. Zwar ist bekannt, dass die Supraleitung auf Ladungsträgerpaarbildung beruht . Deren Mechanismus ist allerdings weitgehend unbekannt. Da die meisten Hochtemperatursupraleiter der Kupferoxidfamilie (sogenannte Cuprate) eine sehr komplizierte Kristallgitterstruktur aufweisen, sind theoretische Analysen der Supraleitungsprozesse außerordentlich schwierig. Ein einfaches Modellsystem wie Calciumkupferoxid könnte die Modellierung der Hochtemperatursupraleitung vereinfachen.
Stefan Maier
