Bechgaard-Salze (TMTSF)2X
Die TMTSF-Salze sind Metalle mit einem 3/4 gefüllten Leitungsband. Die wirkliche Bandfüllung ist allerdings 1/2 aufgund einer schwachen Dimerisierung entlang der Ketten; weitere Modifikationen können durch Elektronenkorrelationen hervorgerufen werden. Während (TMTSF)2ClO4 die einzige Verbindung ist, die unter Normaldruck bis zu 1 K metallisch bleibt und bei noch tieferen Temperaturen supraleitend wird, gehen die meisten anderen Bechgaard-Salze vom metallischen in den isolierenden Zustand über (bei Temperaturen um 10 K); dieser Metall­ Isolator­ Übergang kann in einigen Fällen, wie beispielsweise im Fall von (TMTSF)2PF6, durch Anwendung von äußerem Druck ( Dimensional Crossover ) unterdrückt werden. Aufgrund der größeren Anisotropie, der stärkeren Dimerisierung und der größeren Coulomb-Abstoßung befinden sich die TMTTF-Salze eher in einem isolierenden Mott­ Hubbard­ Zustand.
(TMTTF)2PF6 ist bekannt als die am stärksten korrelierte Verbindung der Serie. Im Phasendiagramm liegt (TMTTF)2Br zwischen (TMTSF)2PF6 und (TMTTF)2PF6, da supraleitende Eigenschaften lediglich unter Anwendung von hohem Druck beobachtet wurden.

Phasendiagramm von (TMTSF)2X und (TMTTF)2X (nach [5] und S. Brown). loc bedeutet Lokalisierung von Ladungsträgern, CO Ladungsordnung, SP spin-Peierls, AFM antiferromagnetisch, SDW Spindichtewelle und SC superleitend.

Im Jahre 1979 entdeckte D. Jerome in (TMTSF)2PF6 erstmals supraleitende Eigenschaften bei Temperaturen um 1 K und unter äußerem Druck; damit war der erste Schritt getan. Die Bechgaard Salze (TMTSF)2X, wobei TMTSF für Tetramethyltetraselenafulvalene steht und X eines der monovalenten Anionen wie PF6, AsF6, ClO4, ReO4 etc. ist, sind auch in anderer Hinsicht interessant:

(TMTSF)2PF6-Struktur: Die planaren Moleküle sind entlang der a-Kristallachse gestapelt; entlang der c-Achse sind sie durch PF6-Anionen getrennt.

Projektion des (TMTSF)2PF6-Kristalls entlang der Stapelrichtung. Die TMTSF-Moleküle sind entlang der c-Richtung orientiert; entlang der b-Richtung erzeugen die Selen-Atome Kontakte zwischen den Stapeln und bilden somit Schichten in der ab-Ebene mit einer Tendenz zur Zweidimensionalität.

Aufgrund des eindimensionalen Charakters der Bechgaard-Salze können die niederenergetischen Anregungen nicht einfach durch die von Landau entwickelte Theorie der Fermiflüssigkeiten beschrieben werden; stattdessen muss das Tomonaga-Luttinger-Modell ( Eindimensionale Metalle ) zur Beschreibung herangezogen werden. Die Wechselwirkung zwischen den Ketten ist von großer Bedeutung, da sie die physikalischen Eigenschaften stark beeinflusst; somit sind andere theoretische Modelle zur Beschreibung nötig.

Optische Leitfähigkeit von (TMTSF)2PF6

Die optische Leitfähigkeit von (TMTSF)2PF6 zeigt eine starke Anisotropie. Bei tiefen Temperaturen sind entlang der Kettenrichtung starke Abweichungen von einem einfachen Drude-Verhalten zu beobachten.
Man findet eine Anregung um 200 cm-1, die für Temperaturen unterhalb von 200 K auftritt und somit nichts mit der Energielücke im Spindichtewellen-Zustand zu tun hat. Eine Mode bei der Energie null, mit einer extrem kleinen Relaxationsrate, bildet sich mit abnehmender Temperatur heraus. Senkrecht zur Stapelrichtung ist die Leitfähigkeit niedriger; sie zeigt aber noch immer ein Drude-artiges Verhalten bei tiefen Temperaturen.

Um 12 K herum geht (TMTSF)2PF6 in einen SDW-Grundzustand über, d. h. die Elektronenspins sind periodisch moduliert, ohne eine Ladungsmodulation oder eine Gitterverzerrung. Dabei öffnet sich eine Energielücke in der Zustandsdichte an der Fermienergie und ruft eine starke Änderung der meisten physikalischen Eigenschaften hervor. Aufgrund der Spin­ Phonon­ Kopplung tritt eine signifikant Änderung der akkustischen Eigenschaften auf, wie beispielsweise Schallgeschwindigkeit und Dämpfung. Die magnetische Suszeptibilität fällt stark ab und der dc-Widerstand nimmt um mehrere Größenordnungen zu. Die optischen Eigenschaften zeigen aber dennoch merkliche Beiträge bei niedrigen Energien, unterhalb der Einteilchen-Energielücke. Diese können teilweise als kollektive Anregungen der Spindichtewelle identifiziert werden.
Die meisten Transportmessungen wurden entlang der Kettenrichtung durchgeführt, wo aufgrund des kollektiven Transports der Spindichtewelle eine nicht-lineare Leitfähigkeit beobachtet wurde. Über die Eigenschaften in der senkrechten Richtung ist weitaus weniger bekannt.

Die Natur der Supraleitung ist noch nicht ganz verstanden. Langsam abgekühltes (TMTSF)2ClO4 wird supraleitend bei 1.2 K; für (TMTSF)2PF6 ist dagegen ein äußerer Druck von 6.5 kbar nötig, um Supraleitung hervorzurufen. Frühe NMR-Experimente zeigen kein Hebel­ Slichter­ Maximum, was auf den Einfluss von antiferromagnetischen Fluktuationen und p­ Wellen­ Supraleitung zurückgeführt werden könnte. Kürzlich wurde diese Idee durch Messungen des c­ Achsen­ Widerstandes in einem externen Magnetfeld von 10 Tesla und höher unterstützt. Allerdings schließen thermischen Transportmessungen Knoten in der Energielücke aus. Untersuchungen der elektrodynamischen Eigenschaften könnten diese Kontroverse klären, da die optische Leitfähigkeit sensitiv gegenüber niederenergetischen Anregungen ist.

    Literatur:
  1. M. Dressel et al., Phys. Rev. Lett. 77, 398 (1996) .
  2. L. Degiorgi et al., Phys. Rev. Lett. 76, 3838 (1996) .
  3. A. Schwartz et al., Phys. Rev. B 58, 1261 (1998) .
  4. M. Dressel, Physica C 317-318, 89 (1999) .
  5. J. Moser et al., Eur. Phys. J. D 1, 39 (1998) .

Die Untersuchungen der Bechgaard-Salze werden in enger Zusammenarbeit mit der University of California Los Angeles, der Eidgenössischen Technische Hochschule Zürich, der Universität Frankfurt und viele andere Gruppen weltweit durchgeführt.

Ansprechpartner: M. Dressel M. Dumm, M. Dressel