Noch vor wenigen Jahren mußte der amerikanische Physiker Paul Chu auf die Frage, wie er seine Supraleiter “bäckt”, achselzuckend antworten: “Ohne die Natur würden wir das nicht hinbekommen.” Einige seiner Forscherkollegen haben jetzt den Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung so weit aufgeklärt, daß eine gezielte Herstellung doch möglich scheint.
Seit der Entdeckung keramischer Supraleiter bei “hohen” tiefen Temperaturen vor rund zehn Jahren wissen die Physiker, daß Supraleitung auf Elektronen basiert, die in Paaren durch das Kristallgitter gleiten. Keramische Supraleiter besitzen eine Schichtstruktur – ähnlich wie Graphit -, was zwar die Paarbildung innerhalb der Schichten erleichtert, aber noch nicht erklärt, wie die Supraleitung wirklich funktioniert.
Ungewöhnlich an keramischen Supraleitern ist, daß sie – im Gegensatz zu den gewöhnlichen Supraleitern – magnetische Eigenschaften besitzen: Sie sind antiferromagnetisch, das heißt, die Atome sind magnetisch polarisiert. Allerdings zeigen die Polarisationen nicht wie bei einem Permanentmagneten stets in die gleiche Richtung, sondern wechseln von Gitterplatz zu Gitterplatz und löschen sich nach außen aus.
Die Forscher suchten lange nach dem Trick, mit dem es die Schichtstruktur der Keramik schafft, die antiferromagnetischen Effekte im Inneren des Materials so weit auszuschalten, daß Supraleitung dennoch möglich ist. Dazu haben die Physiker um Douglas Scalapino von der University of California seit Anfang der neunziger Jahre ein atomares Baukastenspiel für den Computer ersonnen, um die ideale Anordnung der Atome leichter herauszufinden. Sie entdeckten, daß der Antiferromagnetismus im Kristall verschwindet, wenn sich die Atome auf doppelkettenartigen Strukturen anordnen. Eng benachbarte Atome auf den beiden Kettenteilen wirken dabei wie “Sprossen” einer nicht-magnetischen “Quantenleiter”, an der entlang die Elektronen klettern können.
Zur großen Überraschung der Wissenschaftler klappt dieser magnetische Trick aber nur, wenn die “Leiter” eine gerade Anzahl von Beinen hat, die Keramik also aus Bündeln von zwei, vier, sechs … Ketten mit den entsprechenden Zwischensprossen besteht. Offenbar heben sich die entgegengesetzten magnetischen Polarisationen von Atomen auf den Leitersprossen nur dann auf.
Eine japanische Forschergruppe des Nippon Telegraph and Telephone-Labors und mehrerer Universitäten konnte kürzlich die Theorie der Amerikaner experimentell bestätigen. Die Wissenschaftler fanden Supraleitung in einem Kristall, der eine zweibeinige Quantenleiterstruktur besitzt. Sie versuchen nun, die Quantenleiter-Kristalle gezielt nach Bauanleitung herzustellen.
Ralf Blossey
