Innsbrucker Forscher arbeiten am Supraleiter

Elektronen im Gänsemarsch liefern neue Erkenntnisse

Innsbruck (pte035/22.11.2004/14:27) Wissenschaftlern der Universität Innsbruck http://www.uibk.ac.at ist es gelungen, Elektronen in Metallen zu geordneten Bewegungen entlang vorgegebener Bahnen zu zwingen. Dieses in Metallen bisher noch nie beobachtete Verhalten, liefert wichtige Erkenntnisse über die Wechselbeziehungen von Elektronen und über das Phänomen der Supraleitung. Wissenschaftler arbeiten schon länger daran, denn der Stromfluss ohne Verlust zählt zu den großen Herausforderungen der Forschung.

Hochtemperatur-Supraleiter sind keramische Materialien, die unterhalb einer bestimmten Temperatur den elektrischen Strom ohne Widerstand, das heißt ohne Verlust, leiten. Bei höheren Temperaturen ändert sich dieses Verhalten jedoch. Solche sprunghaften Veränderungen auf Grund äußerer Einflüsse sind charakteristisch für so genannte "smart materials". Bis jetzt war diese als Korrelation bezeichnete Abhängigkeit nur bei Nicht-Metallen beobachtet worden. Dem Team um Erminald Bertel vom Institut für Physikalische Chemie, ist es nun erstmals gelungen, Elektronen auch in Metallen in eine solche gegenseitige Abhängigkeit zu zwingen. Dazu haben die Wissenschaftler zunächst Nanostrukturen auf der Oberfläche von Metall-Einkristallen (mit einheitlicher Gitterstruktur) erzeugt.

"Normalerweise breiten sich Elektronen in Metallen in alle drei Raumrichtungen aus. Wenn aber das Metall als Einkristall vorliegt, gibt es Elektronen, die sich nur an der Oberfläche, also in zwei Dimensionen, ausbreiten können", erklärt Bertel. Nanostrukturen können dann die Bewegungsfreiheit dieser Elektronen weiter einschränken. Zur Herstellung solcher Strukturen können etwa Oberflächen von Kupfer-Kristallen so oxidiert werden, dass freie Kupferkanäle von drei Nanometern Breite zwischen Erhebungen von Kupferoxid liegen. In diesen Kanälen können sich Elektronen nur noch eindimensional bewegen.

Eine gleichartige Temperaturabhängigkeit von Photoelektronenspektren ist jedoch auch schon von Supraleitern bekannt. Dieses wurde aber bisher unterschiedlich erklärt. Jetzt legen die Beobachtungen des Innsbrucker Teams nahe, dass die Supraleitung in keramischen Supraleitern mit einem Übergang von Elektronen aus einem inkohärenten in einen kohärenten Zustand verknüpft ist.

"Die Stromleitung ohne Verlust durch elektrischen Widerstand könnte einen signifikanten Beitrag zur Energieeinsparung und zur Lösung einiger Umweltprobleme leisten", so Bertel. "Aber derzeit erlaubt unser Verständnis der Supraleitung noch nicht, supraleitende Materialien zu synthetisieren, die einen großtechnischen Einsatz unter wirtschaftlichen Bedingungen gestatten." Dem Innsbrucker Team ist es gelungen, einen kleinen Mosaikstein in das Bild einzufügen. Das Projekt wurde vom Wissenschaftsfonds FWF http://www.fwf.ac.at gefördert.

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