22.02.2000 - Technik

Bilder auf atomarer Ebene erlauben tiefen Einblick in Supraleitung

Erstmalig gelang Physikern mit einem Raster-Tunnel-Mikroskop dieAufnahme von Elektronenwolken, die sich um ein Defekt-Atom in einemKupfer-Oxid-Supraleiter bildeten. Defekt-Atome spielen bei Supraleitern eine Schlüsselrolle, da sie zurErhöhung oder Verringerung der Temperatur führen, bei der ein Materialsupraleitend wird. Das Team um SeamusDavis aus Berkeley arbeitete eng mit Wissenschaftlern vomLawrence Berkeley National Laboratory undvon der Universität in Tokio zusammen. Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature erschienen.

Unter Supraleitung versteht man, dass der elektrische Widerstand voneinigen Metallen, Legierungen und anderen Materialien beim Abkühlen aufeine bestimmte Temperatur verschwindet. Diese Temperaturen liegen oftnahe des absoluten Nullpunktes, d. h. um –270 Grad Celsius. Diesogenannten Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) bestehen u. a. auskeramischen Kupferoxidverbindungen und zeichnen sich dadurch aus, dasssie schon bei Temperaturen weit oberhalb des absoluten Nullpunktes, z.B. bei –180 Grad Celsius, supraleitend werden.

Der Traum der Wissenschaftler allerdings ist die Herstellung vonMaterialien, die schon bei +30 Grad Celsiussupraleitend sind. Diese Supraleiter versprechen spottbilligen Strom, dadurch den wegfallenden elektrischen Widerstand keine Verlustprozessebeim Stromtransport auftreten.

Um zu verstehen, wie die HTSL funktionieren, müssen diese aufatomarer Ebene untersucht werden. Dazu benutzten Davis und sein Team einselbstentwickeltes Raster-Tunnel Mikroskop (STM). Die Spitze des STMwird in einem Abstand von wenigen Nanometern – das ist der millionsteTeil eines Millimeters – über die HTSL-Oberfläche gefahren und damit dieatomare Struktur abgebildet.

Die Physiker untersuchten einen Kupferoxid-Supraleiter mit NamenBSCCO (BIS-ko), der aus einer Anzahl von sich wiederholenden Schichtenaus Wismut, Strontiumoxid und Kupferoxid aufgebaut ist. In dersupraleitenden Kupferoxid-Schicht wurden gezielt einige Kupferatomedurch Zinkatome als Defekte ausgetauscht. Davis beschreibt das Ganze so:„Die Idee ist, dass die Zink-Atome mit dem Mechanismus, der dieSupraleitung erzeugt, wechselwirken, diesen in der Nähe der Zink-Atomezerstören und lokalisierte Zustände erzeugen, die mit dem STM auf eineratomaren Skala beobachtet werden können.” Zur Freude der Wissenschaftlerkonnte dieser theoretisch vorhergesagte Prozess tatsächlich mit dem STMbeobachtet werden.


Katja Bammel und Nature (403, 746)