Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal
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Supraleiter unter DruckAbbildung 1 Abbildung 2Abbildung 1:Ausschnitt aus derKristallstruktur desSupraleiters SrFe2As2.Dargestellt ist e<strong>in</strong>eSchicht aus Arsen- (rot)und Eisenatomen(orange). Die Ausrichtungder lokalen Momente <strong>in</strong>der magnetisch geordnetenPhase ist durch Pfeilewiedergegeben.Die Untersuchung e<strong>in</strong>er neuen Klasse von Hochtemperatursupraleitern<strong>mit</strong> <strong>Synchrotronstrahlung</strong> bei hohen Drükkenbestätigt die theoretischen Vorhersagen.Im Bereich neuer Materialien bilden Werkstoffe zur Steigerungder Energieeffizienz e<strong>in</strong>en breit gefächerten Interessenschwerpunkt.Von besonderer Bedeutung s<strong>in</strong>d Stoffe zumwiderstandslosen Stromtransport, die sogenannten Supraleiter.Seit kurzer Zeit stehen Verb<strong>in</strong>dungen von Eisen <strong>mit</strong> Arsen imMittelpunkt zahlreicher Untersuchungen, da bei e<strong>in</strong>igen dieserstrukturell vergleichsweise e<strong>in</strong>fachen Verb<strong>in</strong>dungen der Effektder Supraleitung bei überraschend hohen Temperaturen beobachtetwird.Das Verständnis der Supraleitung ist trotz <strong>in</strong>tensiver undumfangreicher Studien <strong>in</strong> den letzten beiden Jahrzehnten unvollständiggeblieben, so dass die zu Grunde liegenden Mechanismenimmer noch Gegenstand der <strong>Forschung</strong> s<strong>in</strong>d. NeueMaterialklassen werden daher oft nicht zielgerichtet entwickelt,sondern entdeckt und anschließend optimiert.Die neuen supraleitenden Materialien werden bei Temperaturenvon bis zu etwa 50 Kelv<strong>in</strong> (-220° Celsius) supraleitendund zählen da<strong>mit</strong> zur Klasse der Hochtemperatursupraleiter, dafür andere Supraleiter viel tiefere Temperaturen nötig s<strong>in</strong>d.Die Verb<strong>in</strong>dungsklasse weist als geme<strong>in</strong>sames StrukturmerkmalSchichten auf, die aus Eisen- und Arsenatomen gebildetwerden. In e<strong>in</strong>er der Strukturfamilien dieser Verb<strong>in</strong>dungenwerden unterhalb von etwa 200 Kelv<strong>in</strong> Änderungen der Symmetriebeobachtet, die <strong>mit</strong> der Ausbildung e<strong>in</strong>er speziellen magnetischenOrdnung <strong>in</strong> den Kristallen verbunden ist. Dabeiordnen sich die auf den Eisenatomen lokalisierten magnetischenMomente antiparallel entlang der e<strong>in</strong>en Achse im Kristallan, während sich die Momente <strong>in</strong> Richtung der um etwa e<strong>in</strong>Prozent verkürzten anderen Achse parallel anordnen (siehe Abbildung1). Die mikroskopische Ursache für diese besondere magnetischeOrdnung wird derzeit noch <strong>in</strong>tensiv diskutiert.Durch Änderung der chemischen Zusammensetzung kanndiese Anordnung der magnetischen Momente zu tieferen Temperaturenverschoben und schließlich vollständig unterdrücktwerden. Mit dem Verschw<strong>in</strong>den der magnetischen Ordnung iste<strong>in</strong> E<strong>in</strong>setzen der Supraleitung verbunden, <strong>in</strong> dieser Substanzfamiliebei Temperaturen zwischen 12 Kelv<strong>in</strong> und 38 Kelv<strong>in</strong>. Allerd<strong>in</strong>gsbee<strong>in</strong>flusst der Austausch von chemischen Elementennicht nur den Abstand der Atome, sondern auch die elektronischeStruktur der Verb<strong>in</strong>dungen. Um den Effekt der Abstandsabhängigkeit<strong>in</strong> re<strong>in</strong>er Form untersuchen zu können, s<strong>in</strong>d daherMessungen bei hohen Drücken und tiefen Temperaturen durchgeführtworden.Durch Komb<strong>in</strong>ation von Untersuchungen der Kristallstrukturund des elektrischen Widerstandes ist es gelungen, den Zusammenhangzwischen magnetischer Ordnung und atomarerAnordnung <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em ausgedehnten Bereich der <strong>in</strong>teressantenParameter experimentell nachzuweisen (siehe Abbildung 2).Das E<strong>in</strong>setzen der magnetischen Ordnung wird durch e<strong>in</strong>eausgeprägte Änderung der Temperaturabhängigkeit des elektrischenWiderstandes angezeigt. Dieser Übergang verschiebtsich <strong>mit</strong> zunehmendem Druck zu tieferen Temperaturen. Die <strong>mit</strong>der magnetischen Ordnung e<strong>in</strong>hergehende Änderung der Kristallsymmetriekann durch e<strong>in</strong>e Aufspaltung von L<strong>in</strong>ien <strong>in</strong> denRöntgenbeugungsdiagrammen direkt beobachtet werden. InÜbere<strong>in</strong>stimmung <strong>mit</strong> den Widerstandsmessungen verschiebtsich der strukturelle Phasenübergang bei zunehmendem Druckzu tieferen Temperaturen. Da<strong>mit</strong> stehen die Ergebnisse derExperimente <strong>in</strong> guter Übere<strong>in</strong>stimmung <strong>mit</strong> der theoretischenVorhersage, dass <strong>mit</strong> zunehmendem Druck die Übergangstemperaturstark abnimmt.Die untersuchte Klasse von supraleitenden Eisen-Arsen-Verb<strong>in</strong>dungen unterscheidet sich dadurch grundsätzlich vonden kupfer- und sauerstoffhaltigen Hochtemperatursupraleitern,die <strong>in</strong> den letzten 20 Jahren Gegenstand der <strong>Forschung</strong>waren. Während <strong>in</strong> diesen die magnetische Ordnungstemperatur<strong>mit</strong> dem Druck zunimmt, zeigen die neuen Materialien e<strong>in</strong>eAbnahme und da<strong>mit</strong> ähnliche Eigenschaften wie klassische supraleitendeVerb<strong>in</strong>dungen von Metallen. Die deutlich höherenÜbergangstemperaturen zusammen <strong>mit</strong> e<strong>in</strong>er erhöhten Stabilität<strong>in</strong> 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 gleichenBed<strong>in</strong>gungen auftreten.WissenschaftlicheVeröffentlichung:M. Kumar, M. Nicklas,A. Jesche, N. Caroca-Canales, M. Sch<strong>mit</strong>t,M. Hanfland, D. Kas<strong>in</strong>athan,U. Schwarz, H. Rosner,C. Geibel:Effect of pressure on themagnetostructuraltransition <strong>in</strong> SrFe2As2.Physical Review B 78184516 (2008)<strong>Synchrotronstrahlung</strong> <strong>2009</strong> 31