Wie Magnetfelder Zwillingsbildung in Kristallen beheben können

Ein Meilenstein in der Supraleiterforschung gelang den beiden Forschern Georg Bednorz und Karl Alexander Müller, die 1986 zum ersten Mal Hochtemperatur-Supraleitung an keramischen Perowskit-Strukturen nachwiesen und dafür im Jahr 1987 den Nobelpreis für Physik erhielten. "Keramische Hochtemperatur-Supraleiter werden zurzeit sehr erfolgreich in Pilotanwendungen als hocheffiziente Transformatoren für elektrische Hochleistungsantriebe und als verlustfreie elektrische Leiter in lokalen, verteilten Stromnetzen von Großstadtballungsräumen getestet", hält Springer-Autor Peter Wellmann in "Materialien der Elektronik und Energietechnik" fest (Seite 205). Aktuelle technische Hochtemperatur-Supraleiter weisen nach Wellmann eine Sprungtemperatur (T_c) oberhalb der Verflüssigungstemperatur von Stickstoff von 77 K auf; "der Weltrekord (Jahr 2015) mit einer Sprungtemperatur von 401 K (129 °C) wird von der komplexen Verbindung Sn₈SbTe₄Ba₂MnCu₁₄O_28+x gehalten (Seite 213).

In jüngster Zeit stehen eisenbasierte Hochtemperatur-Supraleiter im Mittelpunkt von Forschung und Entwicklung. Eisen-Pnictid-Supraleiter, in denen 2008 Supraleitung bei 26 K nachgewiesen wurde, sind durch geschichtete Kristallstrukturen gekennzeichnet. Eine Übersicht hierzu findet sich im "Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials" ab Seite 1248. Um nun Messungen entlang unterschiedlicher Richtungen im Kristallgitter dieser Materialien vornehmen zu können, dürfen die Kristalle keine internen Verdrehungen, sogenannte Verzwilligungen, aufweisen, wie sie etwa Werner Massa in "Kristallstrukturbestimmung" ab Seite 169 beschreibt.

Spezielle magnetische Wechselwirkung

Vor drei Jahren bereits haben Physiker der Universitäten Augsburg, Göttingen, Stuttgart und San Diego einen bemerkenswerten Effekt in der Eisen-Pnictid-Verbindung EuFe₂As₂ entdeckt: Durch Anlegen kleiner Magnetfelder kann man Kristallgitterdomänenwände bei tiefen Temperaturen verschieben und so einen entzwillingten Zustand erreichen. In wachsenden Magnetfeldern kann sogar mehrfach zwischen verschiedenen Kristallausrichtungen hin- und hergeschaltet werden. Dass dieser überraschende und neuartige Effekt auf einer speziellen magnetischen Wechselwirkung zwischen den magnetischen Momenten von Europium und Eisen basiert, haben jetzt die Augsburger Physiker Philipp Gegenwart und Jannis Maiwald und ihr Kollege Igor I. Mazin vom Naval Research Laboratory in Washington (USA) nachweisen können. Sie berichten über ihre Arbeit in der Fachzeitschrift Physical Review X.

Schlagartige Änderungen der Kristallausrichtung

Die von Gegenwart und seinen beiden Kollegen publizierte Theorie sagt – über die Beschreibung der bisherigen experimentellen Beobachtungen hinaus – für sehr hohe Magnetfelder weitere schlagartige Änderungen der Kristallausrichtung in der Verbindung EuFe₂As₂ voraus. Erste Anzeichen hierfür habe man bereits beobachten können. "Generell", so Gegenwart, "ermöglicht die magnetfeldinduzierte Entzwilligung eine Reihe neuer Untersuchungsmethoden zum Studium der richtungsabhängigen Eigenschaften von Hochtemperatur-Supraleitern. Damit ergeben sich neue Möglichkeiten, ein verbessertes Verständnis dieser faszinierenden Materialien zu erlangen."