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Elektronen in Hochtemperatur-Supraleitern sind ordnungsliebend

Um herauszufinden, was in diesen Materialien vorgeht, muss ganz tief in deren Strukturen geblickt werden. Dies liegt weit jenseits dessen, was man mit konventionellen Mikroskopen erreichen kann, insbesondere weil auf diese Weise nicht analysiert werden kann, was sich unterhalb der Oberfläche eines Materials auf atomarer Ebene eigentlich tut. Genau das ist aber notwendig, um die komplizierten Vorgänge in Materialien wie den Hochtemperatur-Supraleitern zu verstehen.

"Die physikalischen Eigenschaften kondensierter Materie, werden durch recht einfache und genau bekannte Regeln der Natur bestimmt", sagte der Festkörperphysiker Jochen Geck vom Fachbereich Chemie und Physik der Materialien der Universität Salzburg zur APA. Schwieriger ist es, wenn aus diesen Regeln auf das tatsächliche Verhalten solcher Systeme geschlossen werden soll. Eine anschauliche Metapher aus der Tierwelt sind Termiten, die zwar relativ einfache Verhaltensregeln befolgen, auf Basis dessen aber erstaunlich komplexe Gebilde bauen.

Wechselwirkungen

"So etwas gibt es in Festkörpern eigentlich auch. Wir haben dort Elektronen in einem Kristallgitter. Wir kennen auch die Regeln, wie sie miteinander wechselwirken. Was dabei aber herauskommt, ist ein sehr komplexes Verhalten. Diese Komplexität zu verstehen ist eine der zentralen Herausforderungen in der Festkörperphysik", erklärte Geck. Zusammen mit Kollegen aus Deutschland, Frankreich, Kanada und den USA hat sich der Physiker der seit etwa 25 Jahren bekannten "mysteriösen" Materialgruppe der Hochtemperatur-Supraleiter angenommen.

Dabei hat sich gezeigt, dass deren herausragende Eigenschaft, nämlich der Verlust des elektrischen Widerstandes bei vergleichsweise hohen Temperaturen von minus 135 Grad Celsius, "mit sehr sonderbaren Selbstorganisationsprozessen der Elektronen untereinander zu tun hat", so der Physiker. Einerseits beeinflussen sich die Elektronen gegenseitig und andererseits wechselwirken sie auch mit der Gitterstruktur. Ändert also ein Elektron sein Verhalten, "spüren" das auch andere Elektronen, wodurch ein komplexes kooperatives Verhalten der Elektronen entsteht.

Komplexes Vielteilchensystem

"Die Frage ist, welche intrinsischen kooperativen Phänomene es in so einem System überhaupt gibt, und wie das mit der Supraleitung zusammenhängt", erklärte Geck. Mit den Regeln der klassischen Physik kommt man auf atomarer Skala jedoch nicht weit, denn hier gelten die seltsamen Regeln der Quantenphysik, wo Teilchen auch mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen können und sich nicht nur wie Teilchen, sondern auch wie Wellen verhalten. Ein so komplexes Vielteilchensystem, in dem alles mit allem zusammenhängt, ist eine große Herausforderung für die Theorie und lässt sich nicht mehr exakt berechnen. Die Forscher ziehen daher aus Experimenten Rückschlüsse auf die Vorgänge im Material.

Die Versuche von Geck und seinen Kollegen wurden an einem Teilchenbeschleuniger in Kanada durchgeführt. Dort ist es möglich, die Proben mit einem besonderen Röntgenstrahl quasi in ihrer Tiefenstruktur zu durchleuchten. "Dabei haben wir eine ungewöhnliche intrinsische Selbstorganisation beobachtet. Die Elektronen bilden tatsächlich räumliche Strukturen aus, die sehr schwer nachzuweisen sind. Das ist an der Grenze zu dem, was man heute überhaupt machen kann", so der Forscher. Auf der Jagd nach den hier beobachteten Phänomenen, auf die es schon zuvor Hinweise gab, waren Wissenschafter schon länger. "Ich denke aber, wir sind die ersten, die das endlich so klar beobachten konnten", freute sich Geck über diesen Schritt zum Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung.

Service: Die Publikation im Internet: http://dx.doi.org/10.1126/science.aad1824

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