Suchen

Terahertz-Strahlung durchleuchtet Material Metallphänomen erklärt: Supraleiter in dünnen Schichten

| Autor/ Redakteur: Dr. Florian Aigner* / Christian Lüttmann

Materialschichten, atomgenau gestapelt: Mit einem neuen Verfahren gelingt es Forschern spezielle Supraleiter herzustellen – und zwar in so dünnen Schichten, dass sie sich mit geeigneter Strahlung durchleuchten lassen. Damit sind Experimente möglich, die ein besseres Verständnis von Supraleitung schaffen.

Firmen zum Thema

Terahertz-Strahlung durchleuchtet das Material, links oben: die Kristallstruktur des Materials
Terahertz-Strahlung durchleuchtet das Material, links oben: die Kristallstruktur des Materials
(Bild: TU Wien)

Wien – Supraleiter können elektrischen Strom völlig ohne Widerstand leiten – allerdings nur unterhalb einer bestimmten „Sprungtemperatur“. Viele Materialien müssen dafür bis fast an den absoluten Temperatur-Nullpunkt abgekühlt werden, manche Materialien hingegen bleiben bis hin zu viel höheren Temperaturen supraleitend: Die so genannten Hochtemperatur-Supraleiter. „Schon 1987 wurde der Physik-Nobelpreis für die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung vergeben, aber auch heute noch ist unser Verständnis dieses Phänomens unzureichend“, sagt Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der Technischen Universität Wien. Wie man neue Materialien entwickeln kann, die vielleicht auch bei normaler Raumtemperatur noch supraleitend bleiben, ist bis heute eines der großen Rätsel der modernen Physik.

Ein Schlüssel zum Erfolg könnte die Untersuchung von „seltsamen Metallen“ sein. Sie zeigen oberhalb der Sprungtemperatur einen Zusammenhang zwischen Temperatur und Widerstand, der völlig anders aussieht als bei gewöhnlichen Metallen. „Im Gegensatz zu einfachen Metallen wie Kupfer oder Gold scheint der elektrische Widerstand in seltsamen Metallen nicht durch die thermische Bewegung der Atome bedingt zu sein, sondern durch bestimmte Quantenfluktuationen“, erklärt Bühler-Paschen. In einem Forscherteam der TU Wien und der US-amerikanischen Rice University entwickelte sie ein neues Verfahren, mit dem sich extrem dünne Schichten aus solchen Materialien herstellen lassen, um sie dann zu durchleuchten. So kann man wichtige Daten über diese Materialien ermitteln und neue Theorien der Hochtemperatur-Supraleitung aufstellen.

Metalle verwehren sich der Durchleuchtung

Um die Quantenfluktuationen in den „seltsamen Metallen“ zu verstehen, muss nicht nur die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes untersucht werden, sondern auch seine Frequenzabhängigkeit. Das gelingt am besten, indem man das Material mit Licht im passenden Frequenzbereich bestrahlt, nämlich mit Terahertz-Strahlung

„An diesem Punkt wird die Sache allerdings technologisch anspruchsvoll“, sagt Bühler-Paschen. „Hochgenaue Messungen sind nämlich nur in Transmission möglich, also wenn das Material vom Terahertz-Strahl durchdrungen wird.“ Während elektrisch isolierende Materialien Terahertz-Strahlen meist fast ungehindert durchlassen, wird diese Art von Strahlung von Metallen normalerweise sehr stark reflektiert oder absorbiert. Nur wenn man eine extrem dünne Schicht des Materials zur Verfügung hat, kann ausreichend viel Terahertz-Strahlung für eine präzise Messung hindurchgelangen.

Herstellung extrem dünner Schichten

Hier kommt die neue Herstellungsmethode der Forscher ins Spiel. Mittels eines speziellen Molekularepitaxie-Verfahrens können sie extrem dünne Materialschichten erzeugen. Dabei werden die Atome der „seltsamen Metalle“ genau dosiert verdampft quasi Atom für Atom auf ein Substrat aufgetragen. Über die Dauer des Wachstumsprozesses können die Forscher so die gewünschte Schichtdicke exakt einstellen.

„Entscheidend war, dass wir ein perfekt passendes Substrat gefunden haben, auf dem man diese Schichten aufbringen kann – nämlich Germanium.“, sagt Lukas Prochaska, einer der drei federführenden Doktoranden des Teams. „Die Kristallstruktur von Germanium passt geometrisch ganz ausgezeichnet zur Anordnung der Ytterbium-Atome in unserem seltsamen Metall. Nur dadurch ergeben sich Filme von hervorragender Qualität.“

Bewegung von Ladungsträgern genau verstehen

Dank der dünnen Materialschichten haben die Forscher in Experimenten mit Terahertzstrahlung entscheidende neue Hinweise zu dem Verhalten von seltsamen Metallen wie dem untersuchten YbRh2Si2 gefunden. „Unsere Vermutung, dass quantenkritische Ladungsfluktuationen eine entscheidende Rolle spielen, wurde dadurch nun bestätigt“, sagt Silke Bühler-Paschen.

Die Möglichkeit, extrem dünne Materialschichten von Hochtemperatur-Supraleitern herzustellen, ebnet den Weg für ein tieferes Verständnis dieser Materialien. „Wir hoffen, dass dadurch eine neue, bessere Theorie der Hochtemperatur-Supraleitung entstehen kann, damit es möglich wird, bessere Supraleiter mit noch deutlich höherer Sprungtemperatur zu entwickeln – das wäre ein gewaltiger technologischer Erfolg.“

Originalpublikation: L. Prochaska, X. Li, D. C. MacFarland, A. M. Andrews, M. Bonta, E. F. Bianco, S. Yazdi, W. Schrenk, H. Detz, A. Limbeck, Q. Si, E. Ringe, G. Strasser, J. Kono, S. Paschen: Singular charge fluctuations at a magnetic quantum critical point, Science 17 Jan 2020: Vol. 367, Issue 6475, pp. 285-288; DOI: 10.1126/science.aag1595

* Dr. F. Aigner, Technische Universität Wien, 1040 Wien

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 46318528)