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28. Februar 2020

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Ein neuer Blick auf seltsame Metalle

Ein neuer Blick auf seltsame Metalle© TU Wien

TU Wien schafft Durchbruch bei neuem Syntheseverfahren zur Erforschung „seltsamer Metalle“. Renommiertes Fachmagazin „Science“ publiziert Ergebnisse.

(red/czaak) Supraleiter können elektrischen Strom komplett ohne Widerstand leiten, das aber nur unterhalb einer bestimmten sogenannten 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. Wie diese „Hochtemperatur-Supraleitung“ funktioniert und wie Materialien entwickelt werden können, die etwaig auch bei normaler Raumtemperatur noch supraleitend bleiben ist entsprechend intensiver Forschungsgegenstand der modernen Physik.

Durchleuchtung extrem dünner Schichten
Ein Schlüssel zum Erfolg könnten dabei nun die Untersuchungen von „seltsamen Metallen“ sein. Das sind spezielle Materialien, deren elektrischer Widerstand ein sehr ungewöhnliches Temperaturverhalten zeigt. Dieses Phänomen ist eng mit Supraleitung verwandt: Viele Klassen von Hochtemperatursupraleitern zeigen dieses „seltsame Metall“-Verhalten.

Einem Forschungsteam der TU Wien und der Rice University (Houston, Texas/US) gelang nun mit der Entwicklung eines neuen Verfahrens der Durchbruch. Dabei werden extrem dünne Schichten aus solchen Materialien hergestellt, um sie dann zu durchleuchten. Damit können wichtige Daten über diese Materialien ermitteln werden, die sich sonst nicht messen lassen, und neue Theorien der Hochtemperatur-Supraleitung entwickelt. Die Ergebnisse wurde nun im Fachjournal „Science“ publiziert.

Der Schlüssel zur Supraleitung
„Das Verständnis dieses Phänomens ist trotz langjähriger Forschungen immer noch unzureichend. Wissen tun wir, dass seltsame Metalle eng mit dieser technologisch so wichtigen Art von Supraleitung in Verbindung stehen“, so Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „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.

Um diese Vermutung zu bestätigen und die Natur der Quantenfluktuationen zu ergründen, muss nicht nur die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes untersucht werden, sondern auch seine Frequenzabhängigkeit. Das gelingt am besten mit der Bestrahlung des Materials mit Licht im passenden Frequenzbereich. „Hochgenaue Messungen sind nur in Transmission möglich, also wenn das Material vom Terahertz-Strahl durchdrungen wird“, betont Bühler-Paschen die aufwändige Methodik.

Ganz spezielles Herstellungsverfahren
Für das neue Verfahren zur Herstellung dieser extrem dünnen Material-Schichten entwickelte die TU Wien eine entsprechend aufwändige Methodik, das sogenannte Molekularepitaxie-Verfahren. „Ytterbium, Rhodium und Silizium werden genau dosiert verdampft und treffen, quasi Atom für Atom, auf einem Substrat auf“, erläutert Maxwell Andrews vom Institut für Festkörperelektronik der TU-Wien.

„Sind alle Parameter richtig eingestellt und wird die Dauer des Wachstumsprozesses richtig gewählt, erreicht man genau die gewünschte Schichtdicke“, so Forscher Andrews. „Entscheidend war die Findung von Germanium als geometrisch perfekt passendes Substrat, auf dem man diese Schichten aufbringen kann“, unterstreicht Lukas Prochaska vom TU-Forscherteam.

Die Bewegung von Ladungsträgern genau verstehen
Von der mit der TU-Wien beim Projekt kooperierenden texanischen Rice University führte der Forscher Xinwei Li dann weitere hochgenaue Tetahertz-Messungen an den dünnen YbRh2Si2-Filmen durch und dabei ergaben sich entscheidende neue Hinweise „Unsere Vermutung, dass quantenkritische Ladungsfluktuationen eine entscheidende Rolle spielen ist damit nun bestätigt“, sagt Silke Bühler-Paschen.

Bühler-Paschen hatte bereits 2004 mit dem Rice-Theoretiker Qimiao Si die Notwendigkeit von dynamischen Messungen erkannt, aber die technischen Grundlagen für eine experimentelle Realisierung fehlten. „Nun konnten wir diesen Prozess endlich genauer analysieren und verstehen“, so Bühler-Paschen. „Wir hoffen nun auf die Entwicklung noch besserer Supraleiter mit deutlich höherer Sprungtemperatur – das wäre ein gewaltiger technologischer Erfolg“, resümiert die TU-Forscherin.

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red/czaak, Economy Ausgabe Webartikel, 20.01.2020