Hochtemperatur-Supraleiter, eine revolutionäre Materialklasse, die vor über vier Jahrzehnten entdeckt wurde, bergen ein enormes Potenzial für technologische Fortschritte. Diese Materialien weisen einen elektrischen Widerstand von Null auf und ermöglichen einen freien Stromfluss ohne Energieverlust, selbst bei Temperaturen, die deutlich höher sind als die, die bei herkömmlichen Supraleitern erforderlich sind. Während diese bemerkenswerte Eigenschaft bereits in verschiedenen Bereichen Anwendung gefunden hat, bleibt der zugrunde liegende Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung ein Rätsel.
Im Mittelpunkt dieses Phänomens stehen Wechselwirkungen zwischen Ladungsträgern – Teilchen, die für den Transport des elektrischen Stroms verantwortlich sind – die es ihnen ermöglichen, sich mühelos durch die Atomstruktur des Materials zu bewegen. Eine kürzlich von einem internationalen Forschungsteam an BESSY II durchgeführte und in Nature Communications veröffentlichte Studie wirft Licht auf diese entscheidenden Wechselwirkungen innerhalb einer bestimmten Art von Hochtemperatur-Supraleitern, den sogenannten Cupratverbindungen.
Die Forscher konzentrierten sich auf La₂CuO₄, eine Verbindung, die aus abwechselnden Schichten von Kupferoxid (CuO) und Lanthanoxid (LaO) besteht. Wenn La₂CuO₄ mit zusätzlichen Atomen behandelt (dotiert) wird, zeigt es Supraleitung unter 40 Kelvin, wobei dieses supraleitende Verhalten auf die CuO-Schichten beschränkt ist. Bemerkenswert ist, dass die LaO-Schichten auch unter diesen Bedingungen isolierend bleiben.
Das Team verwendete eine hochentwickelte Technik namens Auger-Photoelektronen-Koinzidenzspektroskopie gekoppelt mit speziellen Röntgenimpulsen an BESSY II. Dies ermöglichte es ihnen, die Energie von Ladungsträgerpaaren – insbesondere Sauerstofflöcher, bei denen es sich im Wesentlichen um fehlende Elektronen um Sauerstoffatome handelt – innerhalb jeder Schicht genau zu messen.
Was haben sie entdeckt? Die Wechselwirkungsenergien zwischen diesen Ladungsträgern waren in den CuO-Schichten (wo Supraleitung auftritt) deutlich schwächer als in den isolierenden LaO-Schichten. Dieser Befund legt nahe, dass die schwächeren Wechselwirkungen innerhalb der Kupferoxidschichten ein Schlüsselfaktor für die Bildung von Cooper-Paaren sein könnten – gebundenen Elektronenpaaren, die für das supraleitende Verhalten verantwortlich sind.
Diese Forschung liefert entscheidende Einblicke in das komplexe Zusammenspiel zwischen Ladungsträgern und deren Wechselwirkungen in Cupratverbindungen. Während über die Hochtemperatursupraleitung noch vieles unbekannt ist, zeigt diese Studie einen interessanten Unterschied in den Wechselwirkungsenergien auf, der erheblich dazu beitragen könnte, ihr volles Potenzial auszuschöpfen. Zukünftige Untersuchungen, die diese Unterschiede detaillierter untersuchen, könnten den Weg für die Entwicklung noch besserer supraleitender Materialien mit potenziell transformativen Anwendungen in verschiedenen Branchen ebnen.
