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

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.