image: Scanning electron microscopy in combination with EELS electron spectroscopy permits to visualise atomic positions of the individual atoms in the heterostructure: Superconducting regions of YBaCuO are identified by yttrium (blue) and copper (pink), the ferromagnetic layers by manganese (green) and lanthanum (red). view more
Credit: Courtesy MPI Stuttgart
Hochtemperatursupraleiter sind seit gut 30 Jahren bekannt: es sind besondere Metalloxid-Verbindungen, die Strom ohne Energieverlust leiten können. Anders als konventionelle Supraleiter müssen sie dafür nicht bis nahe an den absoluten Temperatur-Nullpunkt gekühlt werden. Vielmehr schaffen sie dies bei vergleichsweise hohen Temperaturen.
Ein typischer Hochtemperatursupraleiter ist Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBaCuO) mit einer Sprungtemperatur von 92 Kelvin (minus 181 Grad Celsius). Das Kühlen mit flüssigem Stickstoff reicht aus, um diese Temperatur zu unterschreiten. Ein Team um Prof. Bernhard Keimer vom MPI für Festkörperphysik in Stuttgart und Dr. Eugen Weschke vom HZB haben nun in einem System aus dünnen YBaCuO- sowie ferromagnetischen Schichten entdeckt, wie sich Valenzelektronen verschieben lassen.
Kleinste kollektive Verschiebungen der Ladungen beobachtet
Mit resonanter Röntgenstreuung haben sie an BESSY II die Grenzflächen zwischen den ferromagnetischen und supraleitenden Schichten untersucht, wobei die ferromagnetischen Schichten 10 Nanometer dick waren; die YBaCuO-Schichten waren bis zu 50 Nanometer dick.
Alex Frano konnte dabei in seiner Doktorarbeit nachweisen, dass sich in den Kupferatomen der YBaCuO-Dünnschicht die Valenzelektronen kollektiv verschieben. Dies führt dazu, dass sich so genannte Ladungsdichtewellen in der YBaCuO-Schicht bilden, wobei diese nicht nur in unmittelbarer Nähe der Grenzflächen auftreten, sondern sich über die gesamte Dicke der Schicht bilden. Das ist erstaunlich, weil frühere Untersuchungen gezeigt hatten, dass Supraleitung die Ausbildung von Ladungsdichtewellen unterdrückt, sagt Frano.
Koexistenz von Supraleitung und Ladungsdichtewelle
Indem wir die Grenzflächen in die Heterostrukturen gebracht haben, ist es gelungen die Ladungsdichtewellen in Gegenwart der Supraleitung zu stabilisieren, erläutert Eugen Weschke. Die YBaCuO-Schichten bleiben supraleitend, obwohl sich gleichzeitig die Ladungsdichten periodisch ändern. Wie genau diese Koexistenz auf mikroskopischer Skala aussieht, ist eine spannende Frage, die mit weiteren Experimenten untersucht werden muss, so der HZB-Forscher. Besonders interessant wäre es herauszufinden, ob man über diesen Mechanismus und durch weiteres geschicktes Design der Grenzflächen den supraleitenden Zustand gezielt kontrollieren kann.
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Original-Publikation:
Long-range charge-density-wave proximity effect at cuprate/manganate interfaces, A. Frano, S. Blanco-Canosa, E. Schierle, Y. Lu, M. Wu, M. Bluschke, M. Minola, G. Christiani, H. U. Habermeier, G. Logvenov, Y. Wang, P. A. van Aken, E. Benckiser, E. Weschke, M. Le Tacon & B. Keimer, Nature Materials (2016) doi: 10.1038/nmat4682
Journal
Nature Materials