Supraleiter-Material besitzt verborgene, ungewöhnlich breite Kristallgrenzen
Bei kupferhaltigen Hochtemperatur-Supraleitern können Änderungen im Kristallgitter das elektronische Verhalten beeinflussen. Eine dreidimensionale Röntgenanalyse enthüllt nun im Inneren einer Modellverbindung breite Grenzzonen zwischen unterschiedlichen Gitterstrukturen. Sie messen rund 150 Nanometer und könnten die Konkurrenz zwischen Supraleitung und geordneter elektrischer Ladung beeinflussen. Ein solcher Einfluss wurde aber noch nicht direkt gemessen.
Coventry (England). Manche Kupferoxid-Verbindungen können elektrischen Strom bei deutlich höheren Temperaturen widerstandslos leiten als herkömmliche Supraleiter. Dennoch müssen auch diese sogenannten Cuprate stark gekühlt werden, und ihr Verhalten ist bis heute nur teilweise verstanden. Eine wichtige Rolle spielen dabei kleinste Veränderungen im Kristallgitter, die mit der Verteilung elektrischer Ladung zusammenhängen.
Viele Messverfahren erfassen allerdings nur einen Mittelwert über größere Bereiche des Kristalls. Hinweise auf lokale Unterschiede in Cupraten gibt es schon länger, doch deren genaue räumliche Anordnung tief im Material war bisher kaum bekannt. Entscheidend ist deshalb, wie sich verschiedene Kristallstrukturen innerhalb einer Probe verteilen und aneinandergrenzen.
Forscher der University of Warwick um Prof. Mark S. Senn haben dafür eine Modellverbindung aus Lanthan-, Europium-, Strontium- und Kupferoxid untersucht. Bei diesem Material, kurz LESCO, konkurrieren Supraleitung und eine streifenförmige Ordnung elektrischer Ladung besonders deutlich miteinander. Im Mittelpunkt stand die Frage, ob die vermeintlich einheitlichen Kristallphasen tatsächlich das gesamte Innere der Probe ausfüllen.
Röntgenstrahlen machen breite Grenzzonen sichtbar
Für den Blick ins Kristallinnere nutzte das Team die rasternde dreidimensionale Röntgenbeugung an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble. Das Verfahren rekonstruiert die räumliche Verteilung unterschiedlich angeordneter Atome, statt nur die durchschnittliche Struktur einer Probe zu ermitteln. Gemessen wurde an der Strahllinie ID11 zwischen 300 und 100 Kelvin, also von ungefähr 27 bis minus 173 Grad Celsius.
Bei Raumtemperatur besitzt LESCO überwiegend eine orthorhombische Kristallstruktur. Dazwischen entdeckten die Forscher jedoch Bereiche mit einer eher tetragonalen Struktur, die wie ungewöhnlich breite Grenzwände durch den Kristall verlaufen. Sie sind etwa 150 Nanometer dick und liegen in Abständen von ungefähr 0,5 bis zwei Mikrometern.
„Dieses Experiment war nur dank der Aufrüstung der ESRF zur Extremely Brilliant Source möglich. Um bei mehreren Temperaturen die höchste Auflösung zu erreichen, waren die größere Strahlungsintensität und der CdTe-Detektor von Dectris erforderlich. Wir arbeiten derzeit an einer Modernisierung von ID11, um die Auflösung für Dehnung und räumliche Strukturen bei dieser neuen Form der Röntgenbeugungsmikroskopie weiter zu verbessern“, erläutert Jonathan Wright von der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF).
Beim Abkühlen verändert sich das Muster
Unterhalb von etwa 160 Kelvin wandelt sich die vorherrschende Kristallstruktur von der orthorhombischen in die tetragonale Form um. Bei 100 Kelvin zeigten die Röntgenkarten darin wiederum schmale, eher orthorhombische Streifen. Sie waren etwa 100 bis 200 Nanometer breit und bildeten ein fein verteiltes Muster innerhalb der tetragonalen Grundstruktur.
Die beiden Gitterformen unterscheiden sich insbesondere darin, wie die aus Kupfer- und Sauerstoffatomen aufgebauten Struktureinheiten gegeneinander verkippt sind. Solche Unterschiede können mit der räumlichen Ausrichtung von Ladungsstreifen zusammenhängen, die der Ausbildung einer durchgehenden Supraleitung entgegenstehen. Die Studie zeigt damit, dass im untersuchten Kristall auch dort unterschiedliche lokale Umgebungen bestehen, wo gewöhnliche Messungen eine einheitliche Phase nahelegen.
Ein möglicher Einfluss auf die Supraleitung
Die ungewöhnlich ausgedehnten Übergangszonen könnten für das elektronische Verhalten so wichtig sein wie die Bereiche auf beiden Seiten. Anders als dünne Trennlinien beanspruchen sie selbst einen erheblichen Raum innerhalb des Kristalls. Das könnte erklären helfen, weshalb Messungen, die über die gesamte Probe mitteln, das Zusammenspiel der verschiedenen Ordnungszustände bislang nur unvollständig erfassen.
„Vierzig Jahre lang galt als Arbeitsannahme, dass diese Materialien durchgehend gleich aufgebaut sind, und nahezu die gesamte Theorie beruht auf diesem Bild. Wir haben gezeigt, dass das nicht stimmt. Der Kristall ist grundlegend ein Flickenteppich mit ausgeprägten Strukturen, dessen ungewöhnlich breite Grenzbereiche der Supraleitung wahrscheinlich entgegenwirken, statt lediglich neben ihr zu bestehen. Das könnte erklären, warum manche Materialien besser funktionieren als andere, und bedeutet, dass einige bisherige Messungen an ganzen Proben neu interpretiert und zukünftige theoretische Modelle um diese strukturelle Komplexität erweitert werden müssen“, erklärt Prof. Mark S. Senn.
Eine direkte räumliche Verknüpfung der Kristallstruktur mit der Supraleitung oder der elektrischen Ladungsordnung hat das Team allerdings noch nicht gemessen. Die Untersuchung weist zunächst die ungleichmäßige Struktur nach und macht deren möglichen Einfluss plausibel. Weitere Messverfahren müssten nun zeigen, wo sich die elektronischen Zustände im Verhältnis zu den Grenzzonen befinden.
Die Forscher vermuten, dass ähnliche Strukturmuster auch in anderen Cupraten und möglicherweise in verwandten Materialien vorkommen. Ob das zutrifft und wie sehr solche Grenzzonen deren Eigenschaften verändern, bleibt offen. Die neue Röntgenmethode eröffnet dafür einen Weg, weil sie Kristallstrukturen im Inneren dreidimensional und mit einer Auflösung bis in den Nanometerbereich sichtbar macht.
Quellen:
Originalstudie im Fachmagazin Physical Review Letters, doi: 10.1103/r62x-kt5j
Offizielle Studienmitteilung von University of Warwick
Offizielle Studienmitteilung von European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)
22. Oktober 2026 - Kathrin Klatt
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