Pseudogap der neuen Supraleiter in starken elektr. Feldern

Die neuen Supraleiter mit hoher kritischer Temperatur haben nicht nur weltweite Forschungsaktivitäten, sondern auch viele neue kommerzielle Anwendungen stimuliert. Da diese Materialien elektrische Energie ohne oder mit vernachlässigbaren Verlusten transportieren, erlaubt dies ausgezeichnete Eigenschaften von supraleitenden Filtern für die Telekommunikation, ultraempfindliche Magnetfeldsensoren, Fehlstrombegrenzer, Starkstromkabel und viele andere Anwendungen. Solche Geräte erlangen gerade Marktreife und werden voraussichtlich in wenigen Jahren von großer technischer Bedeutung sein. Andererseits gibt es keinen Konsens über den Mechanismus der Hoch-Tc Supraleitung und daher auch geringe Fortschritte in der Erhöhung der kritischen Temperatur. Der fundamentale Parameter für die Supraleitung ist die Energielücke zwischen supraleitenden Ladungsträgerpaaren und normalleitenden Ladungsträgern, die jeweils für den Ladungstransport im supraleitenden und normalleitenden Zustand verantwortlich sind. Das Verständnis der herkömmlichen Supraleiter basierte auf dieser Energielücke und man kann davon ausgehen, daß diese Größe auch in den neuen Supraleitern ausführlich untersucht werden muß. Seit kurzem nimmt die Gewißheit zu, daß in Hoch-Tc Supraleitern mit verringerter Anzahl an Ladungsträgern, Phänomene, die der Energielücke ähneln, bis zu Zimmertemperatur und darüber auftreten können, obwohl die herkömmlichen Anzeichen für Supraleitung, Nullwiderstand und starker Diamagnetismus erst bei eher niedriger Temperatur beobachtet werden können. Diese verblüffende Beobachtung einer nicht voll entwickelten Energielücke wird als "Pseudo-Energielücke" bezeichnet. Viele Beobachtungen zeigen nun, daß diese Pseudo-Energielücke eng mit Supraleitung verbunden ist, was zu Spekulationen geführt hat, daß der Ursprung der Hoch-Tc Supraleitung um Zimmertemperatur liegen könnte. Hauptsächlich zwei theoretische Modelle wetteifern um die Erklärung der Pseudo-Energielücke. Eines basiert auf antiferromagnetischen Spinfluktationen, das andere geht von einem Vorläufer zur Supraleitung bei hohen Temperaturen aus, wobei die Phasenkohärenz, die für den Nullwiderstand erforderlich ist, erst bei niederen Temperaturen entsteht. Wir werden in diesem Forschungsprojekt die elektrischen Eigenschaften von unterdotierten Hoch-Tc Supraleitern in hohen elektrischen Feldstärken untersuchen, um eine Entscheidung zwischen diesen beiden Modellen zu treffen. Die Anwendung und Verbesserung unserer leistungsfähigen Apparatur zur Messung mit gepulsten hohen Stromdichten eröffnet einen neuen Bereich von experimentellen Parametern. Die Untersuchungen werden in enger Kooperation mit Forschungsgruppen in Österreich, Frankreich, Italien und Japan durchgeführt.

Es wurde ein neuartiger Effekt in der großen Vielfalt von rätselhaften und noch unerklärten Beobachtungen in den Kuprat-Supraleitern mit hohen kritischen Temperatur entdeckt. Diese aufregenden Materialien haben nicht nur weltweite Forschungsaktivitäten, sondern auch viele neue kommerzielle Anwendungen stimuliert, infolge ihrer Fähigkeit unterhalb einer kritischen Temperatur elektrische Energie ohne oder mit vernachlässigbaren Verlusten transportieren. Trotz intensiver Forschungsbemühungen gibt es keinen Konsens über den Mechanismus, der die so genannte Hochtemperatur-Supraleitung verursacht und daher verzögern sich auch die Fortschritte in der Erhöhung der kritischen Temperatur. Der fundamentale Parameter für die Supraleitung und ihrer theoretischen Beschreibung ist eine Energielücke zwischen supraleitenden Ladungsträgerpaaren und normalleitenden Ladungsträgern, die jeweils für den Ladungstransport im supraleitenden und normalleitenden Zustand verantwortlich sind. Seit kurzem gibt es Hinweise, dass in Hochtemperatur-Supraleitern mit verringerter Anzahl an Ladungsträgern Phänomene, die mit der Energielücke zusammen zu hängen scheinen, bis zu Zimmertemperatur und darüber auftreten können, obwohl die herkömmlichen Anzeichen für Supraleitung, Nullwiderstand und starker Diamagnetismus erst bei eher niedriger Temperatur beobachtet werden können. Diese verblüffende Beobachtung einer nicht voll entwickelten Energielücke wird als "Pseudo-Energielücke" bezeichnet. Viele Beobachtungen zeigen nun, dass diese Pseudo-Energielücke eng mit Supraleitung verbunden ist, was zu Spekulationen geführt hat, dass eine Art Vorläufereffekt der Supraleitung bis zu Zimmertemperatur existieren könnte. Wir haben eine neuartige Apparatur entwickelt, die es erlaubt, elektrische Eigenschaften von Supraleitern unter zuvor noch nie erreichten Leistungsdichten zu messen und damit einen neuen Bereich experimenteller Parameter zu erkunden. Wir haben den Hall-Effekt, eine transversale Spannung, die durch Ablenkung von bewegten Ladungsträgern in einem Magnetfeld verursacht wird, in sehr hohen elektrischen Feldern untersucht. Im Gegensatz zu den Beobachtungen in Metalle und viele andere Materialien, nimmt der Hall-Effekt von Kuprat-Supraleitern nicht linear mit der elektrischen Feldstärke zu. Dies ist in einem engen Temperaturbereich oberhalb der kritischen Temperatur zu beobachten. Der Temperaturbereich dieses nicht-linearen Verhaltens nimmt aber deutlich mit einem Anstieg der charakteristischen Temperatur der Pseudo-Energielücke zu und scheint mit dem Prozess verknüpft zu sein, der diese Pseudo-Energielücke verursacht,. Unsere neuen Erkenntnisse können helfen, zwischen mehreren konkurrierenden Theorien zu entscheiden, die die Herkunft der Pseudo-Energielücke in Hochtemperatur- Supraleitern zu erklären versuchen.