Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

Supraleiter unter DruckAbbildung 1 Abbildung 2Abbildung 1:Ausschnitt aus derKristallstruktur desSupraleiters SrFe2As2.Dargestellt ist eineSchicht aus Arsen- (rot)und Eisenatomen(orange). Die Ausrichtungder lokalen Momente inder magnetisch geordnetenPhase ist durch Pfeilewiedergegeben.Die Untersuchung einer neuen Klasse von Hochtemperatursupraleiternmit Synchrotronstrahlung bei hohen Drükkenbestätigt die theoretischen Vorhersagen.Im Bereich neuer Materialien bilden Werkstoffe zur Steigerungder Energieeffizienz einen breit gefächerten Interessenschwerpunkt.Von besonderer Bedeutung sind Stoffe zumwiderstandslosen Stromtransport, die sogenannten Supraleiter.Seit kurzer Zeit stehen Verbindungen von Eisen mit Arsen imMittelpunkt zahlreicher Untersuchungen, da bei einigen dieserstrukturell vergleichsweise einfachen Verbindungen der Effektder Supraleitung bei überraschend hohen Temperaturen beobachtetwird.Das Verständnis der Supraleitung ist trotz intensiver undumfangreicher Studien in den letzten beiden Jahrzehnten unvollständiggeblieben, so dass die zu Grunde liegenden Mechanismenimmer noch Gegenstand der Forschung sind. NeueMaterialklassen werden daher oft nicht zielgerichtet entwickelt,sondern entdeckt und anschließend optimiert.Die neuen supraleitenden Materialien werden bei Temperaturenvon bis zu etwa 50 Kelvin (-220° Celsius) supraleitendund zählen damit zur Klasse der Hochtemperatursupraleiter, dafür andere Supraleiter viel tiefere Temperaturen nötig sind.Die Verbindungsklasse weist als gemeinsames StrukturmerkmalSchichten auf, die aus Eisen- und Arsenatomen gebildetwerden. In einer der Strukturfamilien dieser Verbindungenwerden unterhalb von etwa 200 Kelvin Änderungen der Symmetriebeobachtet, die mit der Ausbildung einer speziellen magnetischenOrdnung in den Kristallen verbunden ist. Dabeiordnen sich die auf den Eisenatomen lokalisierten magnetischenMomente antiparallel entlang der einen Achse im Kristallan, während sich die Momente in Richtung der um etwa einProzent verkürzten anderen Achse parallel anordnen (siehe Abbildung1). Die mikroskopische Ursache für diese besondere magnetischeOrdnung wird derzeit noch intensiv diskutiert.Durch Änderung der chemischen Zusammensetzung kanndiese Anordnung der magnetischen Momente zu tieferen Temperaturenverschoben und schließlich vollständig unterdrücktwerden. Mit dem Verschwinden der magnetischen Ordnung istein Einsetzen der Supraleitung verbunden, in dieser Substanzfamiliebei Temperaturen zwischen 12 Kelvin und 38 Kelvin. Allerdingsbeeinflusst der Austausch von chemischen Elementennicht nur den Abstand der Atome, sondern auch die elektronischeStruktur der Verbindungen. Um den Effekt der Abstandsabhängigkeitin reiner Form untersuchen zu können, sind daherMessungen bei hohen Drücken und tiefen Temperaturen durchgeführtworden.Durch Kombination von Untersuchungen der Kristallstrukturund des elektrischen Widerstandes ist es gelungen, den Zusammenhangzwischen magnetischer Ordnung und atomarerAnordnung in einem ausgedehnten Bereich der interessantenParameter experimentell nachzuweisen (siehe Abbildung 2).Das Einsetzen der magnetischen Ordnung wird durch eineausgeprägte Änderung der Temperaturabhängigkeit des elektrischenWiderstandes angezeigt. Dieser Übergang verschiebtsich mit zunehmendem Druck zu tieferen Temperaturen. Die mitder magnetischen Ordnung einhergehende Änderung der Kristallsymmetriekann durch eine Aufspaltung von Linien in denRöntgenbeugungsdiagrammen direkt beobachtet werden. InÜbereinstimmung mit den Widerstandsmessungen verschiebtsich der strukturelle Phasenübergang bei zunehmendem Druckzu tieferen Temperaturen. Damit stehen die Ergebnisse derExperimente in guter Übereinstimmung mit der theoretischenVorhersage, dass mit zunehmendem Druck die Übergangstemperaturstark abnimmt.Die untersuchte Klasse von supraleitenden Eisen-Arsen-Verbindungen unterscheidet sich dadurch grundsätzlich vonden kupfer- und sauerstoffhaltigen Hochtemperatursupraleitern,die in den letzten 20 Jahren Gegenstand der Forschungwaren. Während in diesen die magnetische Ordnungstemperaturmit dem Druck zunimmt, zeigen die neuen Materialien eineAbnahme und damit ähnliche Eigenschaften wie klassische supraleitendeVerbindungen von Metallen. Die deutlich höherenÜbergangstemperaturen zusammen mit einer erhöhten Stabilitätin magnetischen Feldern machen die neuen Materialien zuaussichtsreichen Kandidaten für wissenschaftliche und technischeAnwendungen im Bereich des widerstandslosen Stromtransports.Abbildung 2:Stabilitätsfelder hoher(weiß) und gebrochenerSymmetrie (grau) desSupraleiters SrFe2As2.Die Untersuchungenzeigen, dass die Widerstandsänderungen(T0 aus ρ [elektrischerWiderstand]) und diestrukturellen Verzerrungen(T0 aus RD[Röntgendiffraktion])bei den gleichenBedingungen auftreten.WissenschaftlicheVeröffentlichung:M. Kumar, M. Nicklas,A. Jesche, N. Caroca-Canales, M. Schmitt,M. Hanfland, D. Kasinathan,U. Schwarz, H. Rosner,C. Geibel:Effect of pressure on themagnetostructuraltransition in SrFe2As2.Physical Review B 78184516 (2008)Synchrotronstrahlung 2009 31