Ferromagnetischer Supraleiter aus dem Chemielabor

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Und sie vertragen sich doch, die Supraleitung und der Ferromagnetismus. Dank eines chemisch modifizierten Materials gelang es Forschern, erstmals die Koexistenz von Supraleitung und Ferromagnetismus zu beweisen.

Bei vielen Metallen beobachtet man etwas Erstaunliches, wenn man sie auf sehr niedrige Temperaturen abkühlt, weiß Martin Bäker. In seinem Buch "Funktionswerkstoffe", erschienen bei Springer Vieweg, erklärt er unter anderem die besonderen Eigenschaften moderner Supraleiter. Etwa, dass diese Materialien aus ihrem Inneren Magnetfelder verdrängen. Aus diesem Grund schließen sich Supraleitung und Ferromagnetismus – die „normale“ Form des Magnetismus, wie sie etwa in Hufeisenmagneten auftritt – in der Regel aus. Das aber galt bis heute.

LMU-Chemikern konnten diese Gegensätze nun überwinden. Wie ihnen das gelang, erklärt Professor Dirk Johrendt vom Department Chemie: „Wir haben eine neue Verbindung synthetisiert, die als ferromagnetischer Supraleiter beide Eigenschaften in sich vereint“. Dass Supraleitung und Ferromagnetismus in einem Material gemeinsam vorkommen, ist sehr selten und wurde bisher fast nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt – also bei etwa minus 273 °C – beobachtet. „Die von uns synthetisierte schichtartige Verbindung (Li,Fe)OH(FeSe) hat den großen Vorteil, dass sie auch bei höheren Temperaturen funktioniert, die im Labor leichter handhabbar sind“, sagt Johrendt.

Sandwich-Struktur ermöglicht spontane Vortex-Phase

Die neue Verbindung besteht aus zwei unterschiedlichen Schichten, die abwechselnd aufeinander folgen: Einer supraleitenden Eisenselenid-Schicht (FeSe) und einer ferromagnetischen Lithium-Eisen-Hydroxid-Schicht (Li,Fe)OH. Wird die Verbindung auf Temperaturen unterhalb von minus 230°C abgekühlt, entsteht zunächst Supraleitung in der Eisenselenid-Schicht. Bei etwas tieferen Temperaturen erzeugen die Eisenatome in der Lithium-Eisen-Hydroxid-Schicht zusätzlich einen ferromagnetischen Effekt, ohne dass die Supraleitung verschwindet.

In Kooperation mit Physikern der Technischen Universität Dresden und des Paul-Scherrer-Instituts in Villingen (Schweiz) konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass das von der ferromagnetischen Schicht ausgehende Magnetfeld den Supraleiter durchdringt - und zwar spontan und ohne äußeren Einfluss. Dieser neue Zustand der Materie wird als spontane Vortex-Phase bezeichnet. In bestimmten Supraleitern kann zwar durch ein von außen angelegtes Magnetfeld ein ferromagnetischer Effekt erzeugt werden, aber die wenigen bisher bekannten Stoffe mit dieser Eigenschaft waren chemisch kaum modifizierbar und konnten wegen der erforderlichen extrem niedrigen Temperaturen nur mit großem Aufwand untersucht werden.