Bögen und Taschen in einem Modell-Hochtemperatursupraleiter

Das Phänomen der Hochtemperatursupraleitung (HTC) ist bis heute eines der faszinierendsten ungelösten Festkörperprobleme, obwohl dazu in den vergangenen Jahrzehnten umfangreiche Studien durchgeführt wurden. Eine der Schwierigkeiten im Verständnis von HTC Systemen liegt in der Komplexität der entsprechenden Phasendiagramme, in denen verschiedene Phasen sich gegenseitig beeinflussen. Materialspezifische Eigenschaften und Unordnung machen es sehr schwierig zu verstehen, warum ein Material bei hohen Temperaturen supraleitend wird. Dies wird auch dadurch verdeutlicht, dass es eine große Anzahl konkurrierender theoretischer Modelle gibt und zeigt die Notwendigkeit auf, neue experimentelle Studien durchzuführen um die Mechanismen von HTC zu verstehen. Auf Basis einer Serie wichtiger experimenteller Ergebnisse, zu der der Antragsteller wichtige experimentelle Konzepte hinzugefügt hat, formiert sich nun ein neues Bild dieses Phänomens (News and Views: Nature 468, 184 (2010) and Nat. Phys 9, 757, (2013)). Auf dieser nun gut etablierten experimentellen Basis (PNAS 110, 12235 (2013), PNAS 110, 5774 (2013), Nat. Phys. 9, 761 (2013), PRL 113, 177005 (2014)) sollen die Arbeiten im Rahmen des vorgeschlagen Projekts aufgebaut werden. Daraus leiten sich auch folgende Arbeitshypothesen ab: Die effektive Fermienergie des normalen Fermiflüssigkeitszustands (kein äußeres Magnetfeld, hohe Temperaturen) ist hoch (~1 eV) und Kuprate sind nodale Fermiflüssigkeiten. Die effektive Fermienergie des Zustands bei hohen Feldern und tiefen Temperaturen (beobachtet z.B. für das "1/8" Doping) ist klein (~10 meV) und korrespondiert mit kleinen elektronenartigen Taschen an den Brillouin Zonen. Die Ladungsträger der Fermiflüssigkeit des Pseudogap Zustands in Kupraten sind jene, die zu Cooper-Paaren kondensieren. Wenn diese Hypothesen für optimal dotierte Proben bestätigt werden, würde ein wichtiger Aspekt des HTC Rätsels, nämlich die Wechselwirkung zwischen benachbarten Phasen,gelöst werden. Im speziellen soll der feldinduzierte Phasenübergang von Systemen mit einem "1/8" Doping mittels resonanter Röntgenstrahlen Spektrokopie und durch Transportphänomene bei hohen Magnetfeldern untersucht werden.Der Übergang vom Fermiflüssigkeits- zum isolierenden Zustand für geringe Dopingraten (unterhalb 1%) wird durch optische bzw. Mikrowellen-Leitfähigkeit und Transport erforscht. Zusätzlich soll der Normalzustand oberhalb des supraleitenden Doms vollständig untersucht werden. Besonderes Augenmerk soll hierbei auf den Hall-Winkel gelegt werden, der über das gesamte Phasendiagramm Fermiflüssigkeitsverhalten aufweist. Die bedeutenden neuen Einblicke in die Physik der HTC-Kuprate werden im Wesentlichen auf Messungen großer und hochqualitativer Einkristalle der Modellverbindung HG1201 beruhen. Diese Materialien zeichnen sich durch einfache Kristallstruktur, kleinste Unordnungseffekte und die höchste Übergangstemperatur in der Klasse der einschichtigen HTC-Verbindungen aus.

Jedes Material, jedes Standardkabel, jedes elektronische Gerät hat im Prinzip einen gewissen elektrischen Widerstand. Es gibt jedoch supraleitende Materialien, die elektrischen Strom mit einem Widerstand von genau Null leiten können - zumindest bei sehr niedrigen Temperaturen. Ein Material zu finden, das sich bei Raumtemperatur immer noch als Supraleiter verhält, wäre ein wissenschaftlicher Durchbruch von herausragender Bedeutung, sowohl in theoretischer als auch in technologischer Hinsicht. Dies würde eine Vielzahl ganz neuer Anwendungen ermöglichen, von schwebenden Hochgeschwindigkeitszügen bis hin zu neuen bildgebenden Verfahren für die Medizin. Die Suche nach solchen Hochtemperatursupraleitern gestaltet sich allerdings als äußerst schwierig, da viele der Quanteneffekte, die mit Supraleitung im Zusammenhang stehen, noch nicht verstanden sind. Mit der Unterstützung des FWF haben wir im Rahmen des Projekts "Bögen und Taschen in einem Modell-Hochtemperatursupraleiter" eine Reihe von Experimenten an Cupraten durchgeführt, einer Materialklasse, die bei Normaldruck bis zu einer Temperatur von 140 Kelvin (-133 C) supraleitend bleibt, damit sind Cuprate bis heute die Rekordhalter. Als Ergebnis dieser Bemühungen haben wir eine bemerkenswerte Reihe neuer Erkenntnisse gewonnen, die die Art und Weise, wie wir über diese komplexen Materialien und die Hochtemperatursupraleitung im Allgemeinen denken, grundlegend verändern. Das vielleicht wichtigste Ergebnis ist, dass es in Cupraten zwei fundamental unterschiedliche Arten von Ladungsträgern gibt. Das subtile Zusammenspiel zwischen ihnen ist entscheidend für die Supraleitung. Manche Ladungsträger sind lokalisiert - sitzen auf ganz bestimmten Atomen - und kann sich nur bewegen, wenn das Material erhitzt oder dotiert wird, während sich die anderen Ladungsträger bewegen können und von einem Atom zum anderen springen. Es ist die bewegliche Ladung, die letztendlich supraleitend wird, aber Supraleitung kann nur unter Berücksichtigung der lokalisierten Ladungsträger erklärt werden. In ähnlicher Weise haben wir gezeigt, dass auch andere ungewöhnliche Eigenschaften dieses faszinierenden Materials im vorgeschlagenen Bild der zwei elektronischen Subsysteme verstanden werden können.