Verkehrte Vorzeichen

Dr. Jitae Park am PUMA Dr. Jitae Park am thermischen Dreiachsenspektrometer PUMA. © Volker Lannert / DAAD

Dr. Jitae Park am thermischen Dreiachsenspektrometer PUMA. © Volker Lannert / DAAD

Strom ohne Verluste zu transportieren, das ist das Versprechen der supraleitenden Materialien. Am Instrument PUMA des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums haben zwei Wissenschaftsteams die neue Klasse der eisenhaltigen Supraleiter untersucht und kamen unabhängig voneinander auf dasselbe überraschende Ergebnis: Die supraleitenden Cooperpaare ändern ihre Vorzeichen.

Eisenhaltige Supraleiter sind für Forscher völlig rätselhaft: Denn Eisen ist eigentlich ein magnetisches Material, das die Supraleitung verhindern sollte. Betrachtet man die Elektronen als winzige Kompassnadeln, richten sich diese im magnetisierten Eisen alle parallel aus. Für die konventionelle Supraleitung müssen die Elektronen jedoch antiparallel ohne Vorzeichenwechsel gepaart sein, um sich zu den supraleitenden Cooperpaaren zusammenzuschließen. Dies scheint bei eisenhaltigen Supraleitern anders zu sein. Deshalb werden sie auch „unkonventionelle Supraleiter“ genannt.

Wenn man Neutronen an einem solchen Supraleiter streut, erkennen sie die Struktur des supraleitenden Cooperpaares. Dabei beobachteten Forscher bei den eisenhaltigen Supraleitern stets eine besondere Anregung des Spins kurz unterhalb der Sprungtemperatur, ab der das Material supraleitend wird. Diese sogenannte Spinresonanz deutet auf einen Vorzeichenwechsel der supraleitenden Elektronen-Kompassnadeln hin, den man für eine Art „Klebstoff“ für die Cooperpaare hält.

In Zusammenarbeit mit TUM-Wissenschaftler Dr. Jitae Park am Dreiachsenspektrometer PUMA jedoch beobachteten die beiden Wissenschaftsteams aus Japan und China eine Änderung im Vorzeichen: von verschiedenen Vorzeichen hin zu gleichen Vorzeichen. Diese Umkehr der Vorzeichen hängt offenbar vom Dotierungsgrad der untersuchten Eisenarsenid- und Eisenselen-Supraleiter ab: Wenn dem Supraleiter mehr als 50 % Fremdatome (Schwefel) im Eisenselen und mehr als 80% Kalium in Eisenarsenid beigemischt waren, änderten die Elektronenpaare ihre Parameter zurück zu gleichen Vorzeichen.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die eisenhaltigen Supraleiter wesentlich komplizierter sind als bislang vermutet“, sagt Dr. Jitae Park. Weitere Messungen mit Neutronen sind deshalb schon geplant.