Forschungsbericht 2015 - Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Supraleitung bei Raumtemperatur: ein Traum für Festkörperphysiker wird kurzzeitig Wirklichkeit

Autoren
Först, M.; Mankowsky, R.; Kaiser, S.; Hu, W.; Cavalleri, A.
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg
Zusammenfassung
Supraleiter können elektrischen Strom ohne jeden Widerstand transportieren, allerdings nur bei sehr tiefen Temperaturen. Mithilfe von kurzen mittelinfraroten Laserblitzen gelang es nun erstmals, eine Keramik bei Raumtemperatur supraleitend zu machen – wenn auch nur für wenige Pikosekunden. Es zeigte sich, dass dieser lichtinduzierte Zustand auf einer Verschiebung besonderer Atome des Kristallgitters basiert. Diese Erkenntnis könnte bei der Entwicklung von Materialien helfen, die bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden und dadurch für neue Anwendungen interessant wären.

Elektrischer Widerstand und Hochtemperatur-Supraleitung

Die meisten Materialien erwärmen sich, sobald ein elektrischer Strom durch sie fließt. Die zum Stromfluss beitragenden Elektronen stoßen beim Transport mit den schwereren Atomen des Kristallgitters zusammen und versetzen diese in Bewegung. Dies ist das Prinzip des elektrischen Widerstands, und wir nehmen diese Atombewegungen als Wärme wahr. Zum einen wird dieser Effekt in Haartrocknern oder Bügeleisen ausgenutzt; auf der anderen Seite äußert er sich aber auch als Energieverlust in elektrischen Leitungen.

Supraleiter hingegen können den elektrischen Strom ohne jeden Widerstand und damit völlig verlustfrei transportieren. In diesen Materialien verbinden sich jeweils zwei Elektronen zu sogenannten Cooper-Paaren, die den Strom ohne Stöße an den Atomen transportieren können. Dieser Effekt ist umso bemerkenswerter, da sich zwei Elektronen aufgrund ihrer elektrischen Ladung eigentlich voneinander abstoßen.

Nachteilig für technische Anwendungen ist allerdings die Eigenschaft, dass die Supraleitung üblicherweise nur bei sehr tiefen Temperaturen funktioniert. Während ursprünglich sogar nur einige Metalle nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt bei ca. −273° C supraleitend wurden, konnte in den 1990er-Jahren in einer Kupferoxid-Keramik zumindest die Rekord-Sprungtemperatur von −140° C erreicht werden. Solche Hochtemperatur-Supraleiter finden erste Einsatzfelder, beispielsweise als Magneten für Kernspintomografen oder Teilchenbeschleuniger. Ferner wird seit April 2014 in Essen ein einen Kilometer langes tiefgekühltes Supraleiterkabel zur Stromversorgung eingesetzt.

Der Hochtemperatur-Supraleiter

Abb. 1: Struktur eines YBCO-Kristalls sowie die Bewegung der durch den mittel-infraroten Laserblitz direkt angeregten Sauerstoff-Atome. Die Skizze daneben zeigt die CuO2-Doppelschichten (rot). Im supraleitenden Zustand (unterhalb der Sprungtemperatur) hüpfen die Cooper-Paare widerstandslos zwischen diesen Doppelschichten.

Die Verbindungen der Stöchiometrie YBa2Cu3O6+x (YBCO) waren die zuerst entdeckten Keramiken, die oberhalb der mit flüssigem Stickstoff erreichbaren Temperatur von −196° C supraleitend wurden. Die Kristallstruktur dieses Materialsystems ist in Abbildung 1 dargestellt. Hier wechseln sich dünne Doppelschichten aus Kupferoxid (CuO2) mit dickeren Zwischenlagen ab, die neben Kupfer und Sauerstoff auch Barium enthalten.

Die elektronischen Transporteigenschaften sind maßgeblich durch die CuO2-Ebenen bestimmt. Hier können sich Elektronen bereits oberhalb der Sprungtemperatur zu den oben erwähnten Cooper-Paaren zusammenfinden und verlustfrei zwischen den CuO2-Ebenen einer Doppelschicht hin- und herhüpfen (siehe Abb. 2a). Diese kohärente Kopplung funktioniert aber zunächst nicht über die größere Distanz zur nächsten CuO2-Doppelschicht; das Material ist daher ein schlecht leitendes Metall. Erst unterhalb der Sprungtemperatur sind die Cooper-Paare auch in der Lage, diese größere Entfernung ohne Reibungsverluste zu überwinden – das Material wird ein dreidimensionaler Supraleiter. Der genaue Mechanismus für diesen Übergang ist bis heute nicht geklärt und Gegenstand enormer weltweiter Forschungsaktivitäten.

Abb. 2: (a) Terahertz-Experimente zeigen, dass sich die Cooper-Paare im Gleichgewichtszustand (oberhalb der Sprungtemperatur) nur innerhalb der CuO2-Doppelschichten aufhalten. Transport zwischen den Doppelschichten erfolgt mit einem endlichen elektrischen Widerstand. (b) Im lichtinduzierten supraleitenden Zustand hüpfen die Cooper-Paare widerstandslos zwischen diesen Doppelschichten – ähnlich wie im Gleichgewicht unterhalb der Sprungtemperatur.

Lichtinduzierte Supraleitung oberhalb der Sprungtemperatur

Einer Gruppe von Forschern des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie ist es nun gelungen, YBCO-Verbindungen durch Bestrahlung mit Lichtpulsen im mittleren Infrarotbereich auch oberhalb der Sprungtemperatur für kurze Zeit in einen supraleitenden Zustand zu versetzen.

Sie verwendeten Pulse mit einer Dauer von wenigen hundert Femtosekunden (Milliardstel einer Mikrosekunde) und einer Wellenlänge von 15 Mikrometern, um selektiv Schwingungen bestimmter Sauerstoff-Atome zwischen den Doppelschichten anzuregen – in der Hoffnung, auf diese Weise die elektronische Kopplung zwischen eben diesen CuO2-Doppelschichten zu modifizieren. Die durch die Lichtpulse induzierten Änderungen der elektrischen Transporteigenschaften senkrecht zu den Schichten wurden mit zeitlich versetzt auftreffenden Terahertz-Pulsen abgetastet und deren charakteristische Fingerabdrücke der Supraleitung in diesem optischen Frequenzbereich analysiert.

Tatsächlich fanden die Wissenschaftler heraus, dass die untersuchten YBCO-Kristalle für eine Dauer von wenigen Pikosekunden (Millionstel einer Mikrosekunde) einen lichtinduzierten, widerstandslosen (supraleitenden) Zustand annehmen [1]. Faszinierend ist darüber hinaus, dass dies sogar bei Raumtemperatur gelang.

Ein Folgeexperiment lieferte einen ersten Einblick in den verantwortlichen Mechanismus: Wiederum wurden zeitversetzte Terahertz-Pulse – in diesem Fall mit einem extrem breitbandigen Frequenzbereich – zur Analyse der transienten elektronischen Eigenschaften genutzt. Hier konnte interessanterweise gezeigt werden, dass die oberhalb der Sprungtemperatur durch die Lichtanregung induzierte Supraleitung nicht auf der Generation neuer Cooper-Paare basiert [2]. Vielmehr zeigte die Studie, dass es durch die optische Anregung zu einer Umverteilung der supraleitenden Ladungsträger kommt: Cooper-Paare, die im Ausgangszustand lediglich zwischen den benachbarten CuO2-Doppelschichten widerstandslos hüpfen, können dies nach der Anregung auch von einer Doppelschicht zur nächsten und erzeugen dadurch den dreidimensionalen supraleitenden Zustand, siehe Abbildung 2b.

Den Atomen auf der Spur  

Schließlich wollte das Forscherteam wissen, wie sich die Struktur des YBCO-Kristalls durch die Anregung ändert – und ob diese Änderung einen Einfluss auf die Kopplung der CuO2-Doppelschichten haben könnte. In einem Experiment an der Linac Coherent Light Source (LCLS), einem Freie-Elektronen Laser in Stanford, Kalifornien zur Erzeugung von Femtosekunden-Röntgenpulsen, konnten sie diese Frage beantworten [3]. Wiederum schickten sie einen Laserblitz im mittleren Infrarotbereich in einen YBCO-Kristall, um selektiv die Sauerstoff-Atome in Schwingung zu versetzen. Zeitversetze Röntgenpulse wurden dann genutzt, um die Struktur des Kristalls nach der Anregung detailliert zu vermessen.

Abb. 3: Ein Röntgen-Experiment gibt Aufschluss über die durch die Lichtanregung kurzzeitig erzeugte Kristallstruktur. Grafik (a) zeigt eine Messung, welche die lichtinduzierte kurzzeitige Änderung eines Röntgenbeugungs-Signals darstellt. Aus mehreren solchen Messungen kann man die gesamte Kristallstruktur im angeregten Zustand, schematisch dargestellt in Grafik (b), rekonstruieren. Das Ergebnis des hier vorgestellten Experimentes: während der Abstand der CuO2-Doppelschichten abnimmt, vergrößert sich die Distanz innerhalb der beiden Lagen dieser Doppelschichten, siehe Grafik (c).

Das Ergebnis: Der Infrarotblitz hatte nicht nur die Sauerstoff-Atome in Schwingungen versetzt, sondern zusätzlich ihre Position im Kristall verschoben. Dadurch wurden die CuO2-Doppelschichten kurzzeitig um zwei Pikometer (ein Hundertstel Atomdurchmesser) dicker, die Lage zwischen ihnen um denselben Betrag dünner, siehe Abbildung 3. Das wiederum erhöhte die kohärente Kopplung zwischen den Doppelschichten so stark, dass die Cooper-Paare, die sich vorher nur innerhalb der Doppelschichten aufhielten, nun auch zwischen ihnen widerstandslos hüpfen konnten. Daher wurde der Kristall, wie oben erklärt, für wenige Pikosekunden supraleitend. 

Kurzfristig werden die zukünftigen Arbeiten darauf ausgerichtet sein, die Lebensdauer des lichtinduzierten supraleitenden Zustands zu verlängern. Langfristig bleibt es erstrebenswert, Materialien zu entwickeln, die auch ohne Lichtanregung bei Raumtemperatur supraleitend sind. Speziell für diesen Schritt kann die genaue Kenntnis der Kristallstruktur im angeregten Zustand von großer Bedeutung sein.   

Literaturhinweise

1.
Hu, W.; Kaiser, S.; Nicoletti, D.; Hunt, C.R.; Gierz, I.; Hoffmann, M.C.; Le Tacon, M.; Loew, T.; Keimer, B.; Cavalleri, A.
Optically enhanced coherent transport far above Tc in underdoped YBa2Cu3O6+δ.
Nature Materials 13, 705 (2014)
2.
Kaiser, S.; Hunt, C.R.; Nicoletti, D.; Hu, W.; Gierz, I.; Liu, H.Y.; Le Tacon, M.; Loew, T.; Haug, D.; Keimer, B.; Cavalleri, A.
Optically induced coherent transport in YBa2Cu3O6.5 by ultrafast redistribution of interlayer coupling.
Physical Review B 89, 184516 (2014)
3.
Mankowsky, R.; Subedi, A.; Först, M.; Mariager, S.O., Chollet, M. ; Lemke, H.T.; Robinson, J.S.; Glownia, J.M.; Minitti, M.P.; Frano, A.; Fechner, M.; Spaldin, N.A.; Loew, T.; Keimer, B.; Georges, A. ; Cavalleri A.
Nonlinear lattice dynamics as a basis for enhanced superconductivity in YBa2Cu3O6.5.
Nature 516, 71 (2014)
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