Unter hohen Drücken von über 10 Gigapascal ? dem 100.000-fachen des Atomsphären-Drucks ? und tiefen Temperaturen von minus 271 Grad Celsius wird selbst Eisen zum Supraleiter. Japanische Physiker von der Universität von Osaka konnten nun diese theoretische Vermutung erstmals im Experiment bestätigen. Diese Entdeckung könnte neben einem besseren Verständnis der Supraleitungs-Theorien wichtige Hinweise für das Magnetfeld der Erde liefern, da der Kern unseres Planeten hauptsächlich aus Eisen besteht.
Unter hohem Druck verändert Eisen seine Kristallstruktur und Supraleitung wird möglich, erklärt Peter B. Littlewood, Physiker am britischen Cavendish Laboratory in Cambridge. Unter Normalbedingungen ordnen sich die Eisenatome in einem kubisch-innenzentrierten Gitter (bcc) an. Dieser Kristall ist sehr stark ferromagnetisch, eine Eigenschaft, die Supraleitung ausschließt. Unter hohem Druck, der auch im inneren Kern der Erde herrscht, geht Eisen in das hexagonal-dichteste Kristallgitter (hcp) über. Die parallele Ausrichtung der magnetischen Spins geht verloren und bei Kühlung kann Eisen dieses Kristalltyps supraleitend werden.
Als Ursache für die Supraleitung, die die japanischen Forscher eindrucksvoll unter Beweis stellten, können zum einen elastische Schwingungen im Gitter, so genannte Phononen, gelten. Diese ermöglichen bei vielen Metallen die Anordnung von Elektronen zu Cooper-Paaren, die im supraleitenden Zustand vorliegen müssen. Unwahrscheinlicher, aber auch möglich ist der unterstützende Einfluss von schnellen magnetischen Fluktuationen.
Unabhängig von der tatsächlichen Erklärung liefert dieses Experiment eine wichtige Grundlage für eine detaillierte Erklärung des Erdmagnetfeldes. Denn Geologen gehen davon aus, dass im Inneren Kern ein fester Eisenkern in hcp-Struktur das Herzstück für den so genannten Geodynamo bildet. Auch wenn bei den dort herrschenden hohen Temperaturen Eisen nicht supraleitend werden kann, könnten die hohe elektrische Leitfähigkeit und die magnetischen Fluktuationen wichtig für die Stabilisierung des Erdmagnetfeldes sein.
Jan Oliver Löfken
