Elektronen im geordneten Gänsemarsch

4. Februar 2005, 14:37
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Innsbrucker Forscher erlangten neue Kenntnis über Supraleitung

Innsbrucker Forscher zwangen erstmals Elektronen in Metallen zu geordneten Bewegungen entlang vorgegebener Bahnen. Dieses in Metallen erstmals beobachtete Verhalten liefert wichtige Erkenntnisse über Supraleitung.

Hochtemperatur-Supraleiter sind keramische Materialien, die unterhalb einer bestimmten Temperatur den elektrischen Strom ohne Widerstand und damit ohne Verlust leiten. Bei höheren Temperaturen ändert sich das Verhalten aber sprunghaft, und der Stromfluss erfährt Widerstand. Solche sprunghaften Veränderungen aufgrund äußerer Einflüsse sind charakteristisch für so genannte "smart materials". Deren Sprunghaftigkeit ist eng verknüpft mit einer gegenseitigen Abhängigkeit räumlich eingeschränkter Elektronen, die zu einem gemeinsam abgestimmten Bewegungsmuster führt.

Bis jetzt war diese als "Korrelation" bezeichnete Abhängigkeit nur bei Nichtmetallen beobachtet worden. Nun ist es einem Team um Erminald Bertel vom Institut für Physikalische Chemie der Uni Innsbruck in einem vom FWF geförderten Projekt erstmals gelungen, Elektronen auch in Metallen in eine solche gegenseitige Abhängigkeit zu zwingen. Dazu haben die Forscher zunächst Nanostrukturen auf der Oberfläche von Metalleinkristallen, also Kristallen mit einheitlicher Gitterstruktur, erzeugt. Bertel: "Normalerweise breiten sich Elektronen in Metallen in alle drei Raumrichtungen aus. Wenn aber das Metall als Einkristall vorliegt, gibt es Elektronen, die sich nur an der Oberfläche, also in zwei Dimensionen, ausbreiten können. Nanostrukturen können dann die Bewegungsfreiheit dieser Elektronen weiter einschränken."

Nachdem die Elektronen zu einer geordneten Bewegung entlang der Kanäle und Ketten gezwungen worden waren, beobachtete das Team ein weiteres erstaunliches Verhalten: Je nach Versuchsbedingungen bewegen sich die Elektronen völlig unabhängig voneinander - inkohärent - in den einzelnen Kanälen, oder aber sie stimmen quer über alle Kanäle ihre Bewegungen aufeinander ab. Bei einem solchen als kohärent bezeichneten Bewegungszustand lassen sich die Elektronen nicht mehr einzelnen Kanälen zuordnen, sie sind delokalisiert. Weitere Versuche zeigten, dass Elektronen oberhalb einer kritischen Temperatur aus dem kohärenten in einen inkohärenten Zustand übergehen. Was den Schluss nahe legt, dass Supraleitung in keramischen Leitern mit einem Übergang von Elektronen aus einem inkohärenten in einen kohärenten Zustand verknüpft ist. Bertel: "Die Stromleitung ohne Verlust durch elektrischen Widerstand könnte einen signifikanten Beitrag zur Energieeinsparung und zur Lösung einiger Umweltprobleme leisten. Aber derzeit erlaubt unser Verständnis der Supraleitung noch nicht, supraleitende Materialien zu synthetisieren, die einen großtechnischen Einsatz unter wirtschaftlichen Bedingungen gestatten." (DER STANDARD, Print-Ausgabe, 29./30. 1. 2005)

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