Erforschung der ungewöhnlichen Flussverankerung in Ba-122

Hochtemperatursupraleiter haben ein beachtliches Anwendungspotential. Sie könnten die klassischen Supraleiter in Magnetanwendungen ersetzen und höhere Magnetfelder bzw. Betriebstemperaturen ermöglichen. Das würde wiederum die notwendige Energie für die Kühlung reduzieren und solche Anlagen (z.B. medizinische MRI Systeme) ökonomischer machen. Neuartige Anwendungen für die Erzeugung und Verteilung von erneuerbarer Energie sind in Entwicklung. Magnetfelder dringen in Hochtemperatursupraleiter in Form von sogenannten Flusswirbeln ein, die man verankern muss, um verlustfreien Stromtransport zu ermöglichen. Unzureichende Flussverankerung ist derzeit noch eine zentrale Hürde für die Anwendung von diesen Materialien.Signifikante Verbesserungen wurden in den vergangenen Jahren durch Optimierung der Verankerungszentren (Defekte in der Kristallstruktur) hinsichtlich ihrer Größe, Dichte und Form erzielt. Im Gegensatz dazu zielt dieses Projekt auf deutlich größere kritische (gleichbedeutend mit verlustfreie) Ströme durch Dotierung mittels Ladungsträgern ab. Jüngste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verankerung von Flusswirbeln in der Nähe eines quantenkritischen Punktes, welcher bei einer bestimmten Dotierung auftritt, deutlich erhöht ist. Diese Beobachtungen nähren die Hoffnung, dass Quantenfluktuationen die verlustfreien Ströme in technischen Supraleitern deutlich erhöhen können. Diese Hypothese soll anhand von verschieden dotierten BaFe2As2 (Ba-122) getestet werden. Hierbei ist zu beachten, dass Quantenfluktuationen auch in anderen Hochtemperatursupraleitern auftreten, insbesondere in den Kupraten, den derzeit für Anwendungen vielversprechendsten Verbindungen. Qualitativ hochwertige, mit Kobalt, Phosphor oder Kalium dotierte Einkristalle werden am National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST, Japan) hergestellt. Mit zwei unterschiedlichen Methoden, wird zwischen Änderungen der Defektstruktur und dem Einfluss von Quantenfluktuationen unterschieden. Erstens soll eine annähernd idente Defektstruktur in allen Kristallen durch Neutronenbestrahlung an der TU Wien erzeugt werden. Diese Defekte dominieren die in den Kristallen natürlicherweise vorkommenden, somit kann von der gleichen Defektstruktur bei allen Dotierungen ausgegangen werden. Zweitens, werden Messungen der kritischen Ströme unter hohem Druck am AIST durchgeführt. Hoher Druck lässt die Defektstruktur unverändert, aber verschiebt den quantenkritischen Punkt zu niedrigeren Dotierungskonzentrationen. Schlussendlich soll das Anwendungspotential der gefundenen Effekte eingehend analysiert, und die optimale Defektstruktur beschrieben und realisiert werden.

Die für Anwendungen wohl interessanteste Eigenschaft von Supraleitern ist der verlustfreie Stromtransport. Dieser ist allerdings nur bis zu einem maximalen Strom möglich, der einerseits durch die intrinsischen Eigenschaften des speziellen Supraleiters gegeben ist, andererseits aber auch durch Defekte in der Kristallstruktur. Die Stromtragfähigkeit in speziellen Eisensupraleitern (BaFe2As2) war Thema dieser Studie. Diese Materialien werden erst durch Zugabe von Fremdatomen supraleitend und die Stromtragfähigkeit hat ein ausgeprägtes Maximum bei einer gewissen Konzentration dieser Fremdatome. Der Grund für dieses scharfe Maximum war unklar aber sowohl theoretisch als auch für Anwendungen höchst interessant und wurde in Zusammenarbeit mit einer Gruppe am AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) in Tsukuba erforscht. Eine wichtige Methode war das Einbringen von Defekten mittels Bestrahlung mit hochenergetischen Neutronen, die im Wiener Praterreaktor durchgeführt wurde. Die so eingebrachten Defekte erhöhten die Stromtragfähigkeit beträchtlich und das scharfe Maximum verschwand. Damit konnte gezeigt werden, dass nicht die intrinsischen Eigenschaften, die sich durch die Neutronenbestrahlung kaum verändern, dafür verantwortlich sind, sondern die spezielle Defektstruktur bei dieser Konzentration von Fremdatomen, bei der auch ein struktureller und magnetischer Phasenübergang beobachtet wird. Nach dem Einbringen einer nahezu identen Defektstruktur in allen Proben konnte eine universelle Abhängigkeit der Stromtragfähigkeit von der kritischen Temperatur (die Temperatur, bei der die Supraleitung verschwindet) des Supraleiters in Form eines Potenzgesetzes beobachtet werden. Ähnliche Potenzgesetze wurden auch schon für andere intrinsische Eigenschaften von unkonventionellen Supraleitern gefunden aber sind, wie auch der Mechanismus der Supraleitung in diesen Materialen, noch nicht verstanden. Sie sind daher sicherlich hilfreich für das fundamentale Verständnis von Hochtemperatursupraleitung und werden auch zur Bestätigung allfälliger Theorien sehr nützlich sein. Zusammenfassend lieferte dieses Projekt wertvolle Ergebnisse sowohl für das Verständnis unkonventioneller Supraleitung als auch die Optimierung dieser Materialien für Anwendungen in Medizin und Energietechnik.