Palladiumoxide könnten bessere Supraleiter herstellen

May 27, 2023

Palladate – Oxidmaterialien auf Basis des Elements Palladium – könnten zur Herstellung von Supraleitern verwendet werden, die bei höheren Temperaturen arbeiten als Cuprate (Kupferoxide) oder Nickelate (Nickeloxide), so Berechnungen von Forschern der Universität Hyogo, Japan, der TU Wien und Kollegen. Die neue Studie identifiziert außerdem zwei solcher Palladate als „praktisch optimal“ im Hinblick auf zwei für Hochtemperatursupraleiter wichtige Eigenschaften: die Korrelationsstärke und die räumlichen Fluktuationen der Elektronen im Material.

Supraleiter sind Materialien, die Elektrizität ohne Widerstand leiten, wenn sie unter eine bestimmte Übergangstemperatur Tc abgekühlt werden. Der erste Supraleiter, der 1911 entdeckt wurde, war festes Quecksilber, dessen Übergangstemperatur jedoch nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt, was bedeutet, dass teures flüssiges Helium als Kühlmittel erforderlich ist, um es in der supraleitenden Phase zu halten. Kurz darauf wurden mehrere andere sogenannte „konventionelle“ Supraleiter entdeckt, die jedoch alle ähnlich niedrige Tc-Werte aufweisen.

Ab Ende der 1980er Jahre entstand jedoch eine neue Klasse von „Hochtemperatur“-Supraleitern mit Tc über dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff (77 K). Bei diesen „unkonventionellen“ Supraleitern handelt es sich nicht um Metalle, sondern um Isolatoren, die Kupferoxide (Cuprate) enthalten, und ihre Existenz legt nahe, dass die Supraleitung auch bei noch höheren Temperaturen bestehen bleiben könnte. Kürzlich haben Forscher Materialien auf der Basis von Nickeloxiden als gute Hochtemperatur-Supraleiter identifiziert, ähnlich wie ihre Cuprat-Verwandten.

Ein Hauptziel dieser Forschung ist es, Materialien zu finden, die auch bei Raumtemperatur supraleitend bleiben. Solche Materialien würden die Effizienz elektrischer Generatoren und Übertragungsleitungen erheblich verbessern und gleichzeitig gängige Anwendungen der Supraleitung (einschließlich supraleitender Magnete in Teilchenbeschleunigern und medizinischen Geräten wie MRT-Scannern) einfacher und billiger machen.

Die klassische Theorie der Supraleitung (bekannt als BCS-Theorie nach den Initialen ihrer Entdecker Bardeen, Cooper und Schrieffer) erklärt, warum Quecksilber und die meisten metallischen Elemente unterhalb ihres Tc supraleitend sind: Ihre fermionischen Elektronen paaren sich und bilden Bosonen, die Cooper-Paare genannt werden. Diese Bosonen bilden ein phasenkohärentes Kondensat, das als Suprastrom ohne Streuung durch das Material fließen kann, wodurch Supraleitung entsteht. Allerdings reicht die Theorie nicht aus, wenn es darum geht, die Mechanismen hinter Hochtemperatur-Supraleitern zu erklären. Tatsächlich ist die unkonventionelle Supraleitung ein grundlegendes ungelöstes Problem in der Physik der kondensierten Materie.

Um diese Materialien besser zu verstehen, müssen Forscher wissen, wie die Elektronen dieser 3D-Übergangsmetalle korrelieren und wie stark sie miteinander interagieren. Auch räumliche Fluktuationseffekte (die durch die Tatsache verstärkt werden, dass diese Oxide typischerweise als zweidimensionale oder Dünnschichtmaterialien hergestellt werden) sind wichtig. Während Techniken wie Feynman-Diagrammstörungen zur Beschreibung solcher Fluktuationen verwendet werden können, reichen sie nicht aus, wenn es darum geht, Korrelationseffekte wie den Metall-Isolator-Übergang (Mott) zu erfassen, der einer der Eckpfeiler der Hochtemperatursupraleitung ist.

Hier kommt ein Modell namens Dynamic Mean Field Theory (DMFT) ins Spiel. In der neuen Arbeit untersuchten Forscher um den TU-Wien-Festkörperphysiker Karsten Held mithilfe sogenannter Diagrammerweiterungen der DMFT das supraleitende Verhalten mehrerer Palladatverbindungen.

Cuprat-Supraleiter enthalten eine seltsame Komponente

Die Berechnungen, die in „Physical Review Letters“ detailliert beschrieben werden, zeigen, dass die Wechselwirkung zwischen Elektronen stark, aber nicht zu stark sein muss, um hohe Übergangstemperaturen zu erreichen. Weder Cuprate noch Nickelate kommen dieser optimalen Wechselwirkung mittlerer Art nahe, Palladate hingegen schon. „Palladium steht im Periodensystem direkt eine Zeile unter Nickel“, stellt Held fest. „Die Eigenschaften sind ähnlich, allerdings sind die Elektronen dort im Durchschnitt etwas weiter vom Atomkern und voneinander entfernt, sodass die elektronische Wechselwirkung schwächer ist.“

Die Forscher fanden heraus, dass einige Palladate, insbesondere RbSr2PdO3 und A′2PdO2Cl2 (A′=Ba0,5La0,5), „praktisch optimal“ sind, andere, wie z. B. NdPdO2, jedoch zu schwach korrelieren. „Unsere theoretische Beschreibung der Supraleitung hat ein neues Niveau erreicht“, sagt Motoharu Kitatani von der Universität Hyogo gegenüber Physics World. „Wir sind zuversichtlich, dass unsere experimentellen Kollegen nun versuchen werden, diese Materialien zu synthetisieren.“