Supraleitung

Vor nicht einmal hundert Jahren, im Jahre 1911, wurde die Supraleitung im Metall Hg entdeckt. In den folgenden Jahrzehnten wurden weitere supraleitende Metallle, Legierungen und Verbindungen gefunden. Der erste organische Supraleiter, quasi eindimensionales (TMTSF)2PF6, wurde 1979 synthetisiert. 1986 wurden die sogenannten Hochtemperatursupraleiter mit Übergangstemperaturen bis zu 138 K gefunden. Kurz darauf wurden supraleitende Alkalimetallfullerene entdeckt (1991). Borocarbide, 1993 entdeckt, wechseln unterhalb der Sprungtemperatur kurzfristig in einen "normalen", nicht supraleitenden Zustand. Einige Ruthenate weisen außergewöhnliche supraleitende Eigenschaften wie gleichzeitiger Magnetismus und Supraleitung auf (1994).

Tabelle einiger supraleitender Materialien und ihrer Übergangstemperaturen:

 

Material Materialklasse TC Bemerkungen
Quecksilber Metall 4.15 K erster entdeckter Supraleiter
Blei Metall 7.2 K  
Indium Metall 3.40 K  
Aluminium Metall 1.175 K  
Niob Metall 9.25 K  
Schwefel Element 17 K bei einem Druck von 160 GPa
Lithium Element 20 K bei einem Druck von 48 GPa
AuIn3 Legierung 0.00005 K erster Supraleiter, der gleichzeitig ferromagnetisch und supraleitend ist
Nb3Sn / Nb3Ge Legierung 18.1 K / 23.2 K  
MgB2 Verbindung 39 K höchstes TC einer metallischen Verbindung
MnU6 schweres Fermionsystem 2.32 K  
CeRu2 schweres Fermionsystem 6.0 K  
La1.85Ba0.15CuO4 HTSL 35 K  
YBa2Cu3O7 HTSL 93 K  
Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 HTSL 138 K höchstes TC überhaupt
TMTSF2ClO4 organisch 1.3 K  
k-(ET2Cu(NCS)2 organisch 10.4 K  
k-(ET2Cu[N(CN)2]Br organisch 11.5 K  
K3C60 Fulleren 18 K  
Cs3C60 Fulleren 40 K höchstes TC Fulleren
YPd2B2C Borocarbid 23 K  
RuSr2(Gd,Eu,Sm)Cu2O8 Ruthenat 58 K gleichzeitig Magnet und Supraleiter
Sr2RuO4 Ruthenat 1.5 K  

Organische Supraleiter
Organische Supraleiter setzen sich aus einem Elektronenspender (dem ebenen organischen Donor-Molekül) und einem Elektronenakzeptor (dem nicht-organischen Anion) zusammen. Es gibt sie aus vielen verschiedenen organischen Donor-Molekülen zusammengesetzt wie z. B. aus TMTSF, BEDT-TTF (oder ET) und anderen. Über fünfzig verschiedene organische Supraleiter mit Übergangstemperaturen zwischen 0.4 K und 12 K bei Normaldruck wurden bisher gefunden. In vielen Untersuchungen wurde nachgewiesen, dass diese Materialien im konventionellen Sinne supraleitend sind, d.h. sie zeigen sowohl verschwindenden Widerstand als auch den Meissner-Effekt (vollständige Verdrängung eines äußeren Magnetfeldes). Die Frage nach dem supraleitenden Mechanismus dieser Materialien bleibt aber weiterhin ungeklärt.

Unkonventionelle Supraleitung
Der Mechanismus der konventionellen Supraleitung wird durch die Theorie von Bardeen, Cooper und Schrieffer (BCS) beschrieben, nach welcher sich Leitungselektronen zu supraleitenden Elektronen mit verschwindendem Gesamtimpuls und Gesamtspin zusammenschließen (Cooper-Paare). Das notwendige attraktive Potential wird durch eine schwache Wechselwirkung der Leitungselektronen mit den Gitterschwingungen (Phononen) verursacht. Das relative Orbitaldrehmoment des Cooper-Paares kann Werte von 0 (s-Welle), 1 (p-Welle), 2 (d-Welle) etc. annehmen. In der BCS-Theorie geht man vom einfachsten Fall eines s-Wellenzustand aus, da dabei die Anziehung maximal wird.

Einige Jahre nach Entwicklung der BCS-Theorie untersuchten Walter Kohn und Quin Luttinger die Möglichkeit, eine schwache Restanziehung aus der Coulomb-Abstoßung zwischen den Elektronen zu erhalten. Sie stellten fest, dass dies prinzipiell möglich ist, wenn die Cooper-Elektronen durch ein höheres Drehmoment daran gehindert werden sich zu nahe zu kommen. In bestimmten Materialien könnte die Supraleitung natürlicherweise in der p-Wellenform existieren ( Schwere Fermionen-Systeme ).
Der Ausdruck "unkonventionelle Supraleiter" umfasst alle supraleitenden Zustände, die sich von der BCS-Supraleitung unterscheiden. Dies könnte bedeuten, dass einerseites keine s-Wellenfunktion vorliegt, oder andererseits die Anziehung der Elektronen nicht durch Phononen vermittelt wird (sondern z.B. durch antiferromagnetische Fluktuationen).
Die Ursache des Paarungsmechanismus bei organischen Supraleitern ist immer noch unbekannt. Supraleitung in organischen Materialien reagiert empfindlich auf Verunreinigungen und selbst auf nichtmagnetische Gitterdefekte, was auf eine anisotrope Energielücke hindeutet. Bei den (TMTSF)2X Supraleitern könnten antiferromagnetische Fluktuationen zwischen benachbarten Ketten als Paarungsmechanismus in Frage kommen.

Triplett Paare
Bei eindimensionalen Metallen besteht die Fermifläche aus zwei Punkten bei kF und -kF. Für Cooper-Paare mit Gesamtmoment q = 0 gibt es zwei möglich Zustände: einen Singlett-Supraleiter mit Gesamtspin 0 oder einen Triplett-Supraleiter mit Gesamtspin 1. Letzter könnte bei eindimensionalen Metallen durch starken, ferromagnetischen Austausch von Elektronen verursacht werden. Im Gegensatz zu Singlett-Supraleitern können bei Triplett-Supraleitern nichtmagnetische Verunreinigungen den supraleitenden Zustand sichtlich beeinflussen und gar ganz zerstören. Untersuchungen an (TMTSF)2PF6 zeigten, dass durch Röntgenstrahlung erzeugte Defekte die Supraleitung ab einer gewissen Konzentration zerstören.

Ein hervorstechendes Merkmal der (TMTSF)-Salze ist die gemeinsame Phasengrenze der supraleitenden und der magnetischen Phase. Normalerweise zerstören Magnetfelder die Supraleitung, da das von ihnen erzeugte Potential die Cooper-Paare aufbricht. Im Falle des seltenen Auftretens von p-Wellen Spin, wenn also beide Spins in die gleiche Richtung zeigen, kann das Magnetfeld die Supraleitung nicht so einfach zerstören. Das Magnetfeld erhöht dann zwar die Gesamtenergie der Elektronen, ihre Energiedifferenz aber bleibt unverändert. Das obere kritische Feld bei (TMTSF)2PF6 übersteigt die paramagnetische Grenze um über 200%. Der ungewöhnliche Hc(T) Verlauf stimmt mit jüngsten Vorhersagen für das unkonventionelle Verhalten von anisotropen Supraleitern überein. Die trifft auch auf die Möglichkeit der Triplett Paarung zu.

Die Existenz von p-Wellenfunktionen beim Spin wurde bisher nur bei superfluidem Helium nachgewiesen.

Wir wollen die elektrodynamischen Eigenschaften von Supraleitern untersuchen, da man von ihnen etwas über die Quasiteilchenanregungen lernen kann, sowie über die Größe und Symmetrie der supraleitenden Energielücke. Dies ist beispielsweise die Temperaturabhängigkeit der supraleitenden Energielücke.

Die hierfür relevanten Energien skalieren mit der supraleitenden Sprungtemperatur, denn nach der BCS-Theorie gilt: 2D = 3.53 kB TC, d.h. bei einer Übergangstemperatur von 1 K ist die Energielücke bei 70 GHz. Wir setzen deshalb Methoden der Mikrowellentechnik ein, sowie optische Methoden im FIR .