Supraleitende Hg-basierte Einkristalle

Forschungsprojekt P 14222Supraleitende Hg-basierte EinkristalleHarald W. WEBER06.03.2000 Die Entdeckung der "Hochtemperatursupraleiter" im Jahre 1986 hat grundsätzlich die Möglichkeit eröffnet, das bisher ausschließlich dem Bereich tiefster Temperaturen (unter etwa 20 K) zugeordnete Phänomen der Supraleitung durch drastische Erhöhungen der erforderlichen Kühlmitteltemperaturen auf eine wesentlich breitere Basis zu stellen. Ein vorläufiger Schlußpunkt. unter die zum Teil atemberaubende Entwicklung der höchsten bekannten Sprungtemperatur (also jener Temperatur, unterhalb der die supraleitende Phase stabil ist), wurde 1993 durch die Entdeckung von supraleitenden Kupraten auf Quecksilber-Basis gesetzt. Der heute bekannte Höchstwert der Sprungtemperatur liegt unter normalen Druckbedingungen bei 135 K (Hg-1223). Naturgemäß sind die Erfassung der physikalischen Eigenschaften dieser Materialien sowie die Abschätzung ihres technischen Einsatzpotentials von großem Interesse. Aufgrund der komplexen strukturellen Eigenschaften der Kuprate ergeben sich in den meisten Fallen deutliche "Richtungsabhängigkeiten" (Anisotropien)ihrer physikalischen Eigenschaften, insbesondere auch im supraleitenden Zustand. Die experimentelle Erfassung dieser Effekte ist praktisch ausschließlich durch ein Studium von Einkristallen möglich, da ansonsten stets Mittelungseffekte auftreten. Dies ist der Ansatzpunkt des gegenständlichen Projektes. Basierend auf einer Zusammenarbeit mit der ETH Zürich, die erfolgreich verschiedenste Einkristalle Quecksilber-basierter Supraleiter hergestellt hat, sollen die magnetischen Eigenschaften im supraleitenden Zustand erhoben werden, wobei der Einsatz "richtungsabhängiger" Meßtechniken vorgesehen ist. Durch verschiedene Dotierungsgrade, gezielte Substitutionen und spezielle Techniken der Sauerstoffbeladung werden die Kristalle bereits im Ausgangszustand verschieden starke Anisotropien aufweisen, die wir dann gezielt verändern wollen. Dies wird durch den Einsatz verschiedener Bestrahlungstechniken (Elektronen zur Punktdefektproduktion, Neutronen und schwere Ionen zur Erzeugung ausgedehnter Defekte) erreicht. Die Rolle dieser gezielten strukturellen Änderungen, die in allen Kristallen in gleicher Form eingebracht werden, wird uns Aufschluß darüber geben, wie sich die fundamentalen physikalischen Eigenschaften der Supraleiter (mit bereits vorher unterschiedlichem Anisotropiegrad) verändern und welche Möglichkeiten zu ihrer Optimierung verfügbar sind. Gleichzeitig bietet der gezielte Einbau ausgedehnter Defekte die Möglichkeit, die Stromtragfähigkeit der Materialien zu untersuchen und damit ihre Anwendbarkeit in technischen Systemen abzuschätzen.

Ein zentrales Thema der Supraleitungsforschung seit der erstmaligen Feststellung von verlustfreiem Stromtransport in einem bestimmten Metall in der Nähe des absoluten Nullpunkts (4,2 K) im Jahre 1911 war stets die Suche nach neuen Materialien mit immer höheren "Sprungtemperaturen". Erfolge stellten sich langsam, aber stetig, ein (1972: Entdeckung von Supraleitung in Nb3 Ge bei etwa 23 K). Nach der Zeit des "Goldrausches", der mit der Entdeckung von keramischen Supraleitern in den späten 80-iger Jahren einsetzte und die höchsten bekannten Sprungtemperaturen innerhalb von kürzester Zeit auf über 130 K katapultierte, konzentrierte sich die weitere Forschungsarbeit mehr auf Aspekte der Anwendbarkeit dieser Materialien, z.B. um diese spröden Keramiken in die Form von Drähten oder Bändern zu bringen, oder gezielte Modifikationen ihrer kristallinen Mikrostruktur herbeizuführen, um verlustfreien Stromtransport bei den nunmehr möglichen hohen Betriebstemperaturen (77 K) und in starken Magnetfeldern zu gewährleisten, alles äußerst schwierige Prozesse, die auch heute noch mit großem Nachdruck verfolgt werden. Vor diesem Hintergrund ist es verständlich, dass die Entdeckung einer ganz simplen metallischen Verbindung, MgB2 , im Jahre 2001 mit der relativ hohen Sprungtemperatur von 40 K wie eine Bombe einschlug und weltweite Aktivitäten zur möglichst schnellen Umsetzung in praktische Anwendungen auslöste. Auch wir entschlossen uns sofort, die Projektarbeiten weitgehend auf diese spannende Thematik umzustellen. Erste Experimente an polykristallinen Massivproben und Drähten zeigten bereits einen fundamentalen Weg zu Anwendungsmöglichkeiten auf, insbesondere die Tatsache, dass das Übergangsfeld in den normalleitenden Zustand durch Reduktion der mittleren freien Elektronenweglänge massiv angehoben werden kann, und dass der Stromtransport im wesentlichen durch "Perkolationsvorgänge" zwischen benachbarten - naturgemäß verschieden orientierten Körnern - aufgrund der Anisotropie der supraleitenden Eigenschaften limitiert wird. Bereits kurze Zeit später hatten wir exzellente Einkristalle dieser neuen Substanz zur Verfügung, die nach allen Regeln der Kunst analysiert wurden. Modifikation ihrer Mikrostruktur demonstrierte spektakuläre Erhöhungen des Übergangsfeldes in den normalleitenden Zustand und erbrachte fundamentale Erkenntnisse über die Stromtragfähigkeit im Magnetfeld und ihr Wechselspiel mit der strukturellen Materialanisotropie. Ähnliche Experimente an Einkristallen des Hg-basierten Systems von Hochtemperatursupraleitern (der ursprüngliche Projektplan) zeigten zum Teil erstaunliche Ähnlichkeiten mit dem MgB2 System, speziell hinsichtlich Anisotropie und Stromtragfähigkeit.