Ultraschneller Schalter für Supraleiter

29. Juni 2011

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Mit einem ultrakurzen Terahertz-Puls (gelb oben) wird der supraleitende Transport zwischen den Schichten eines Kuprat-Kristalls (zwei Schichten, rote und blaue Kugeln stellen die Sauerstoff- bzw. Kupfer-Atome dar) gesteuert. Auf diese Weise lässt sich die dreidimensionale Supraleitung sehr schnell an- und ausschalten (orangene Kugeln stellen Elektronen dar). [weniger]

Mit einem ultrakurzen Terahertz-Puls (gelb oben) wird der supraleitende Transport zwischen den Schichten eines Kuprat-Kristalls (zwei Schichten, rote und blaue Kugeln stellen die Sauerstoff- bzw. Kupfer-Atome dar) gesteuert. Auf diese Weise lässt sich die dreidimensionale Supraleitung sehr schnell an- und ausschalten (orangene Kugeln stellen Elektronen dar).

© J.M. Harms, Max-Planck Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik, Hamburg

© J.M. Harms, Max-Planck Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik, Hamburg

Supraleitung ist einer der erstaunlichsten physikalischen Effekte. Jeder elektrische Leiter besitzt einen Widerstand. Doch einige Materialien verlieren ihren Widerstand vollständig, wenn man sie unter eine charakteristische Temperatur abkühlt. Dann fließt der Strom vollkommen verlustfrei. Als der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes diesen Effekt 1911 an Quecksilber entdeckte, glaubte er zunächst an einen Fehler seines Messinstruments, bevor ihm die Tragweite seiner Jahrhundertentdeckung bewusst wurde.

Allerdings muss man „normale“ Leiter, wie Quecksilber oder Blei, fast bis an den absoluten Nullpunkt bei minus 273,16 Grad Celsius abkühlen, damit sie supraleitend werden. Es war deshalb eine Sensation, als Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller 1986 ein keramisches Material vorstellten, das schon bei minus 248 Grad Celsius supraleitend wurde. Seitdem sind diese kalten Leiter ein heißes Thema bei Grundlagenforschern und Anwendern. Der ultraschnelle Schalter, den die Forschungsgruppe um Andrea Cavalleri, Leiter der Max-Planck-Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik an der Universität Hamburg, nun entwickelt hat, stellt hier eine weitere verblüffende Entdeckung in diesem Gebiet dar.

Der von den Hamburger Wissenschaftlern verwendete Hochtemperatur-Supraleiter ist seit langem bekannt. Es ist ein Kristall, bestehend besteht aus Lanthan-Kuprat (La₂CuO₄) mit einer fest definierten Beimengung von Strontium (La_1,84Sr_0,16CuO₄). Seine Übergangstemperatur liegt bei minus 233 Grad Celsius. Auf welche Weise die Supraleitung darin zustande kommt, ist zwar noch nicht abschließend geklärt, aber wesentliche Elemente sind bekannt: „Im Innern dieses Kristalls bildet das Kuprat Ebenen, die übereinander liegen, ähnlich wie die Seiten eines Buches“, erklärt Cavalleri. Die Elektronen können sich nur innerhalb dieser Ebenen bewegen; der Stromtransport findet also nur in zwei Dimensionen statt.

Kühlt man das Material unter 40 Kelvin ab, so entsteht plötzlich zwischen diesen Ebenen eine Verbindung. Physiker erklären dies im Wellenbild. Demnach muss man sich die Elektronen nicht als Teilchen, sondern als Wellen vorstellen. Unterhalb der Übergangstemperatur kommt es nun dazu, dass sich die Elektronenwellen aus benachbarten Ebenen überlappen, und das ermöglicht es den elektrischen Ladungsträgern von einer Ebene zur anderen zu wechseln. Damit findet der Stromtransport plötzlich in allen drei Raumdimensionen statt: Der supraleitende Zustand ist entstanden.