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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.
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).
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.
Die ungewöhnlich ausgedehnten Übergangszonen könnten für das elektronische Verhalten so wichtig sein wie die Bereiche auf beiden Seiten. Anders als dünne Trennlinien beanspru