Konkurrierende Phasen in Hochtemperatursupraleitern

Hochtemperatur-supraleitende Materialien (HTSC) sind durch starke Korrelationen zwischen den Elektronen charakterisiert, die für eine Vielzahl faszinierender anomaler Phasen verantwortlich sind. In abhängigkeit von der Temperatur und der Dotierung zeigen diese Materialien sowohl unterschiedliche, langreichweitig geordnete Phasen als auch Bereiche starker, aber kurzreichweitiger Fluktuationen. Zentrales Ziel dieses theoretischen Projektes ist es, ein deutlich verbessertes mikroskopisches Verständnis der HTSC und vor allem der Dotierungsabhängigkeit ihres Phasendiagrammes zu erlangen, mit Schwerpunkt auf der Frage, "was allgemein relevant ist" und "was eher materialspezifisch ist". In diesem Projekt ist es geplant, zwei Cluster-Methoden einzusetzen und weiterzuentwickeln, um thermodynamische Eigenschaften, Phasengrenzen und Anregungsspektren gängiger Modellsysteme für die HTSC (Ein-Band- und Drei-Band-Hubbard-Modell) zu berechnen. Dieses Projekt soll an die neu errichtete (DFG) Forschergruppe "Dotierungsabhängigkeit von Phasenübergängen und Ordnungsphänomenen in Kupratsupraleitern" verknüpft werden, und die im Projekt gewonnene Resultate direkt mit den experimentellen Ergebnissen der anderer Arbeitsgruppen (inelastische Neutronenstreuung, winkelaufgelöste Photoemissions-, Tunnel-, und Raman-Spektroskopie) verglichen werden. Aus der Fülle offener physikalischer Fragen sollen einige in diesem Projekt behandelt werden: (i) Die Konkurrenz zwischen langreichweitig geordneten Phasen sowie die Effekte kurzreichweitiger Fluktuationen, (ii) die Natur des sogenannten Pseudogaps: ist es in elektrondotierten HTSC anders? (iii) das Phasendiagramm und die Symmetrie des supraleitenden Ordnungsparameters in elektrondotierten HTSC, (iv) die Rolle der Phononen in den HTSC (v) das anomale Verhalten der optischen Leitfähigkeit. Vor allem durch die koordinierte Zusammenarbeit mit den experimentellen Gruppen erwarten wir, das globale Phasendiagramm der HTSC im loch- sowie im elektrondotierten Bereich aus einem einheitlichen Bild eines dotierten Mott-Isolators heraus verstehen zu können.

Ziel dieses Projektes war ein verbessertes Verständnis der mikroskopischen Eigenschaften sogenannter Hochtemperatursupraleitern (HTSL) zu erlangen. Supraleiter sind Materialien, welche Strom ohne Energiedissipation leiten, wenn diese unterhalb einer bestimmten Temperatur abgekühlt werden. Letztere ist bei den HTSL relativ hoch, ca. -150 Celsius, im Gegensatz zu den -250 Celsius bei den gewöhnlichen Niedrigtemperatursupraleitern. Insbesondere konzentriert sich das Projekt auf das Verständnis der komplexen Dynamik der Ladungsträger, die für das Phänomen der Supraleitung verantwortlich ist, aber auch für andere unkonventionelle Eigenschaften (magnetische, optische, spektrale, thermische, usw.). Einer der wichtigsten Aspekte ist es, den Mechanismus zu identifizieren, der für die Anziehung zwischen Ladungsträgern und für die Bildung sog. Cooper Paare, das sind die Bausteine der Supraleitung, verantwortlich ist. In diesem Projekt erhalten wir zahlreiche Ergebnisse, welche die Hypothese vertreten, dass magnetische Fluktuationen hauptverantwortlich für diese Anziehung sind. Diese bestehen aus der Interpretation experimenteller Daten anhand unserer numerischen Simulationen. In einer ersten Publikation zeigen wir, dass die in den HTSL experimentell beobachtete Präsenz zweier Energielücken durch ein einziges Phänomen erklärt werden kann. Dieses setzt eine Anziehungskraft voraus, die am stärksten bei dem Wellenvektor der antiferromagnetischen Fluktuationenist.Aucheine Analysepolarisierter Photonenstreuungsdaten deutet auf die Präsenz starker Streuung bei diesem Wellenvektor hin. Unsere numerische Simulationen liefern einerseits ein konsistentes Bild des Phasendiagrammes der HTSL und andererseits der magnetischen Dispersion. Diese kann als Fingerabdruck der Präsenz magnetischer Fluktuationen in der supraleitenden Phase betrachtet werden und vertritt daher ihre Rolle als Beitrag zur Anziehungskraft. Während magnetische Fluktuationen sicherlich wichtig sind, weisen viele experimentelle Ergebnisse auf die Relevanz der Kopplung von Elektronen mit Gitterschwingungen (Phononen) hin. Letztere liefern die Anziehungskraft zwischen Ladungsträger im Fall von Niedrigtemperatursupraleitern. Ergebnisse im Rahmen dieses Projektes verstärken diese Idee, indem sie zeigen, dass Schwingungen der sog. apikalen Sauerstoffatome die Anziehungskraft zwischen Ladungsträger verstärken, und daher möglicherweise auch einen Beitrag zur Supraleitung liefern.