Ein Material aus Yttrium, Barium und Kupferoxid (besser bekannt als YBCO) fasziniert Wissenschaftler seit seiner Entdeckung im Jahr 1987, vor allem weil es seine supraleitenden Eigenschaften bei einer überdurchschnittlich hohen Temperatur beibehält. Allerdings ist es extrem spröde, was eine praktische Anwendung erschwert.
Dennoch können Forscher viel daraus lernen. So können seine ungewöhnlichen Eigenschaften beispielsweise Erkenntnisse für die Entwicklung möglicher Raumtemperatur-Supraleiter liefern – also Materialien, die bei Raumtemperatur Strom ohne Widerstand leiten. Dies hätte enorme Auswirkungen auf die Stromübertragung, die medizinische Bildgebung und die Magnete von Fusionsreaktoren.
Warum Praseodym in YBCO seit Jahrzehnten Fragen aufwirft
Eine Besonderheit von YBCO, die Forscher auf diesem Gebiet lange vor ein Rätsel gestellt hat, ist, dass die Dotierung mit Praseodym, einem Seltenerdelement, die supraleitenden Eigenschaften des Materials vollständig aufhebt. Das ist ungewöhnlich, da die Zugabe anderer Seltenerdelemente zu YBCO nicht denselben Effekt hat. Es war unklar, warum Praseodym diese Wirkung hatte. Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Yu He aus dem Bereich Angewandte Physik in Zusammenarbeit mit der Maple-Gruppe und der Frano-Gruppe an der University of California in San Diego sowie der Xie-Gruppe an der Michigan State University den Grund dafür herausgefunden. Damit haben sie eine jahrzehntealte Theorie widerlegt und einen neuen Forschungsansatz für YBCO und andere Kuprat-Supraleiter eröffnet, der auf der Steuerung der Schichtenkopplung basiert.
„Schon vor etwa 30 Jahren hat man versucht, dieses Material zu dotieren – also im Grunde genommen einige Atome darin zu ersetzen –, mit dem ursprünglichen Ziel, die Supraleitung zu verstärken, damit wir sie bei Raumtemperatur nutzen können“, sagte Jinming Yang, ein Doktorand, der die Studie leitete. „Bei diesem Material stellte man jedoch fest, dass sich die Supraleitung nicht oder nur geringfügig änderte, wenn man die meisten Atome ersetzte.“
Nicht die Ladung ist der entscheidende Faktor
Als Wissenschaftler jedoch in YBCO Yttrium durch Praseodym ersetzten, geschah etwas anderes: Sie stellten fest, dass dessen Atome die Supraleitfähigkeit von YBCO unterbanden. Fasziniert begannen Forscher auf diesem Gebiet zu untersuchen, warum dies geschieht. Die Theorie, die bisher am meisten Anklang gefunden hatte, war, dass Praseodym direkt daran beteiligt sei, Elektronen an die Kupferoxidkomponente von YBCO abzugeben.
Mithilfe einer als winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) bekannten Technologie konnten He und sein Forschungsteam jedoch genauer untersuchen, was vor sich ging. „Wir können direkt messen, wie sich die Ladung im mit Praseodym dotierten Material und im ursprünglichen YBCO umverteilt“, sagte Yang. „Und wir haben festgestellt, dass Praseodym die Ladung nicht direkt mitzieht, sondern tatsächlich die Wechselwirkung zwischen den beiden Schichten aus Kupfer-Sauerstoff-Ebenen verhindert. Unsere experimentelle Beobachtung zeigt, dass es auch die Ladungsverteilung zwischen den beiden Schichten verändert, jedoch nicht in der Weise, wie es das bisherige Modell vorhergesagt hatte.“
Schwächere Schichtenkopplung eröffnet einen neuen Forschungsansatz
Die Mitautoren Zheting Jin und Sohrab Ismail-Beigi führten ergänzende theoretische Berechnungen und Analysen durch. „Unsere theoretischen Berechnungen zeigen, dass sich Praseodym nicht so verhält, wie es frühere Theorien vorausgesagt hatten“, sagte Ismail-Beigi, Strathcona-Professor für Angewandte Physik an der Yale University.
Sie stellen fest, dass dessen Einbau in das Gitter die elektronische Struktur von Kupfer und Sauerstoff neu ordnet und die Kopplung zwischen zwei Kupferoxidschichten in YBCO schwächt. „Dies deutet darauf hin, dass die Kopplung zwischen den Schichten ein wichtiger neuer Ansatz zum Verständnis und möglicherweise zur gezielten Gestaltung der Hochtemperatur-Supraleitung ist“, sagte Dr. Jin, ein promovierter Absolvent des Fachbereichs Angewandte Physik der Yale University.
Ein klareres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Praseodym und YBCO könnte zu neuen, entscheidenden Durchbrüchen auf diesem Gebiet führen – und möglicherweise zu Supraleitern, die bei höheren Temperaturen funktionieren.„Da wir nun verstehen, wie Praseodym die Supraleitung unterbindet, sollte uns dies helfen, den Mechanismus der Supraleitung in diesem Material zu verstehen“, sagte Yang.
Mitautor M. Brian Maple, Professor an der UC San Diego, merkte an, dass die Studie gezeigt habe, dass YBCO und andere Hochtemperatur-Supraleiter selbst nach jahrzehntelanger Forschung „uns immer noch sehr wichtige Erkenntnisse über die Quantenmechanik vermitteln“.
„Diese Arbeit trägt dazu bei, unser Verständnis davon zu vertiefen, was die Supraleitung in geschichteten Kupferoxiden steuert“, sagte er. „Über die Aussicht auf unmittelbare technologische Ergebnisse hinaus sehen wir ihren Wert als grundlegender an: Sie zeigt uns, auf welche Wechselwirkungen wir achten müssen, und bietet uns einen besseren Rahmen für die Entdeckung neuer Phänomene in verwandten Materialien. Genau darum geht es in der Grundlagenforschung!“
