Magnete und Supraleiter in dynamischer Eintracht

Berlin - Magnetfelder wirken der widerstandslosen Supraleitung entgegen und lassen sie zusammenbrechen. Doch auf atomarer Ebene können beide Zustände – Magnetismus und Supraleitung – gleichzeitig und in unmittelbarer Nachbarschaft auftreten. Physiker von der Freien Universität (FU) Berlin beobachteten diese seltene Koexistenz in einer supraleitenden Bleischicht, auf die sie Moleküle einer magnetischen Manganverbindung setzten. Ihre Ergebnisse, die zu neuen Konzepten für spintronische Schaltkreise und effizientere Supraleiter führen könnte, präsentieren sie in der Zeitschrift "Science".

"Auf der atomaren Skala können beide Typen der Wechselwirkung koexistieren", schreiben Katharina Franke und ihre Kollegen vom Institut für Experimentalphysik an der FU Berlin. Für diese Entdeckung kühlten sie einen Blei-Supraleiter auf bis zu minus 268 Grad Celsius ab. Elektronen paaren sich dabei zu sogenannten Cooper-Paaren, die wesentlich für die widerstandslose Stromleitung verantwortlich sind. Auf die Bleioberfläche deponierte das Team einzelne Moleküle aus Mangan-Phthalocyanin. Diese magnetischen Partikel beeinflussten lokal die Supraleitung, ließen sie aber nicht komplett zusammenbrechen.

Mit einem Rastertunnelmikroskop untersuchten Franke und Kollegen sowohl die räumliche als auch die elektronische Struktur des beschichteten Supraleiters. Dabei erkannten sie, dass durch magnetische Kopplung einige Cooper-Elektronen-Paare wieder getrennt wurden und lokal der Supraleitung über das wirkende Magnetfeld entgegenwirkte. In direkter Nachbarschaft jedoch verharrte das Blei in seinem supraleitenden Zustand. Unter dem Mikroskop erkannten die Forscher deutlich ein periodisches Rastermuster, in dem sich magnetische Inseln mit supraleitenden Bereichen abwechselten. "Das Ergebnis ist eine molekulare Superstruktur, in der Supraleitung und Magnetismus auf der nanoskopischen Skala alternierten", berichten sie.

Direkte Anwendungen haben diese Grundlagenversuche noch nicht. Doch zeigen sie, dass sich – anders als bisher angenommen – Magnetismus und Supraleitung nicht zwingend ausschließen. Über das gezielte Deponieren von magnetischen Partikeln könnten nun die verschiedenen Quantenphasen exakter kontrolliert werden. Dies könnte zu neuen Schaltprozessen für zukünftige Spintronik-Moldule führen. Es ist auch nicht ausgeschlossen, dass die nun beobachtete Koexistenz von Magnetismus und Supraleitung die weitere Entwicklung effizienterer Supraleiter vorantreiben könnte.