Minus 150 Grad Celsius: “Heiß” nennen das Physiker, die mit Supraleitern arbeiten. Doch geraten keramische Kupferoxide – versetzt mit exotischen Elementen wie Yttrium oder Lanthan – an dieser frostigen Temperaturschwelle an die Grenze ihre Supraleitfähigkeit. Nun schlagen amerikanische Wissenschaftler einen neuen Weg vor: Neben dem wichtigen Schichtaufbau in den supraleitenden Kristallen müsse unbedingt auch auf die Weiterleitung elektrischer Ladungen von den inneren Ebenen im Kern eines Supraleiters an die äußeren Schichten geachtet werden. Sollten sie mit ihrer Theorie, die sie in der Fachzeitschrift Nature (Vol. 428, S. 53) erläutern, richtig liegen, eröffnet sich möglicherweise ein neuer Weg, Strom in Zukunft vielleicht sogar bei Raumtemperatur widerstandslos zu leiten zu können.
“In unseren Berechnungen zeigen wir, dass sich mit Materialien, die ein geringeres Ungleichgewicht der Ladungen aufweisen, höhere Sprungtemperaturen erreichen lassen könnten”, schreiben Sudip Chakravarty von der
University of California in Los Angeles und seine Kollegen von der
University of Toronto. Kern ihrer erfolgreichen Simulation des supraleitenden Verhaltens der Kupferoxide bilden zwei gegenläufige Effekte: Einerseits steigt die Sprungtemperatur, wenn in der Kristallstruktur die Kupferoxid-Schichten durch eine isolierende Schicht getrennt werden. Verantwortlich für die widerstandslose Stromleitung ist dabei die Bildung von gepaarten Elektronen, die jeweils durch die isolierende Zwischenschicht hindurchtunneln. Andererseits lässt sich oberhalb eines dreilagigen Schichtaufbaus die Sprungtemperatur nicht mehr weiter steigern, sondern sackt im Gegenteil wieder ab.
Um den Grund für diesen Effekt herauszufinden, betrachteten Chakravarty und Kollegen den Transport und die Ansammlung der Ladungen zwischen den Schichten. Mit einer zunehmenden Anzahl der Kupferoxid- und Isolator-Lagen verteilen sich diese Ladungen im supraleitenden Kristall immer ungleichmäßiger. Dieser Effekt bestimmt ab einer dreischichtigen Struktur das Verhalten des Supraleiters und lässt die Sprungtemperatur sinken. Gelänge es, die Ladungen gleichmäßiger zu verteilen, könnte auch die Sprungtemperatur weiter gesteigert werden. Bei einem Vergleich mit bekannten Hochtemperatur-Supraleitern konnten die Forscher mit ihrem Modell die tatsächlich beobachteten Sprungtemperaturen gut theoretisch beschreiben.
Konkrete Bauanleitungen, wie sich die Ladungen zwischen den Schichten gleichmäßiger verteilen ließen, halten die Physiker allerdings nicht bereit. Dies ist eine Aufgabe für Experimentalphysiker, die in dem neuen theoretischen Modell einen wichtigen neuen Anhaltspunkt für die Entwicklung neuer Hochtemperatur-Supraleiter bekommen haben.
Jan Oliver Löfken
