Pressemeldung: Orbitale in magnetisch ordnenden und supraleitenden Verbindungen

3. März 2015

Kölner und Dresdner PhysikerInnen erforschen mit synchrotronbasierten Experimenten, wie sich Orbitale ändern.

Das Europäische Synchrotron ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Grenoble, Frankreich wird von 21 Ländern finanziert und betrieben, damit Wissenschaftler der Mitgliedsländer dort ihre Experimente an der vordersten Front moderner Wissenschaft durchführen können.  Jedes Jahr nehmen dies mehrere tausend Wissenschaftler wahr. So wurden auch die oben gezeigten Orbitale dort gemessen. Dank der hohen Präzision konnten kleinste Unterschiede in der orbitalen Form detektiert und den einzelnen Phasen der untersuchten Verbindungen, magnetisch geordnet oder supraleitend, zugeordnet werden.

Das faszinierende Phänomen Supraleitung, das verlustfreie Leiten eines elektrischen Stromes, wurde bereits 1911 entdeckt, aber erst seit den 1980er Jahren rückte die wirtschaftliche Anwendung mit der Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter auf Kupferoxidbasis in greifbare Nähe. Wegen der technischen Relevanz löste dies einen regelrechten Boom auf diesem Forschungsgebiet aus. Trotzdem ist der genaue Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung weder in diesen noch in den eisenbasierten Hochtemperatursupraleitern verstanden. Man nimmt allerdings an, dass das Wechselspiel von Magnetismus und Supraleitung von zentraler Bedeutung ist. Das ist erstaunlich, da sich konventionelle Supraleitung und Magnetismus normalerweise ausschließen. Unter anderem deswegen nennt man die Hochtemperatursupraleitung auch unkonventionell.

Hier kommen die so genannten Schwere-Fermionen-Systeme ins Spiel. Es sind leitende Materialien, in denen sich die Ladungsträger so bewegen, als ob sie die 1000-fache Masse eines freien Elektrons hätten (daher der Name). Starke Wechselwirkungen der Elektronen untereinander sind dafür verantwortlich. Man findet das Schwere-Fermionen-Phänomen in vielen Festkörpern, die magnetische Seltenerdatome wie Cer (Ce) oder Ytterbium (Yb) enthalten. Viele dieser Schwere-Fermionen-Verbindungen zeigen auch unkonventionelle Supraleitung. Verstehen wir diese Materialien, könnte dies auch zu wichtigen Erkenntnissen für die Mechanismen in den Hochtemperatursupraleitern führen.

Die Schwere-Fermionen-Verbindungen CeMIn5 (M = Co, Rh oder Ir) weisen je nach Übergangselement supraleitende oder magnetisch geordnete Grundzustände auf, oder werden sogar zu Hochtemperatursupraleitern, wenn Cer durch Plutonium ersetzt wird. Diese Verbindungen gelten daher als vielversprechende Modelsysteme bei der Suche nach Parametern, die mit der Ausbildung eines magnetischen oder supraleitenden Grundzustands korrelieren.

Die Arbeitsgruppe von Andrea Severing am II. Physikalischen Institut der Universität zu Köln hat in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vom Max-Planck Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden, dem Los Alamos National Laboratory in den USA und der Hiroshima University in Japan anhand der Substitutionsreihe CeRh1-xIrxIn5 einen solchen Parameter identifiziert: Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Cer-Elektronen, also die Form der besetzten f-Orbitale, skaliert sehr empfindlich mit dem jeweiligen Grundzustand: Flachere Orbitale korrelieren mit magnetischer Ordnung, während ausgedehntere Orbitale in Supraleitern zu finden sind. Die ausgedehnteren Orbitale können stärker mit anderen Elektronen vermischen (hybridisieren) und tragen dadurch zur elektrischen Leitung bei. Gittereffekte können hierbei ausgeschlossen werden. Eine solche Korrelation hatte man theoretisch seit längerem vermutet, sie konnte aber erst jetzt experimentell, dank polarisierter Röntgenabsorptionsmessungen am Europäischen Synchrotron (ESRF) in Grenoble (Frankreich), nachgewiesen werden.

Damit steht nun ein mikroskopisches Bild als Antwort auf die Frage bereit, wann diese Materialien supraleitend werden. Damit können sicherlich weitergehende theoretische Beschreibungen entwickelt werden.

HR / CPfS

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