Welcher physikalische Mechanismus ist für die magnetischen Eigenschaften von Cupraten beim Dotieren verantwortlich?

Ein internationales Forscherteam hat festgestellt und bewiesen, dass die Zugabe von Verunreinigungen mit einer geringeren Elektronenkonzentration den antiferromagnetischen Zustand von Kupferverbindungen, Hochtemperatursupraleitern auf Kupferbasis, stabilisiert. Das Forschungsteam unter der Leitung eines leitenden Mitarbeiters der Uraler Bundesuniversität, Evgeny Stepanov, hat die Ergebnisse der Studie in npj Quantum Materials veröffentlicht.

„Wir untersuchen kollektive elektronische Effekte in verschiedenen Materialien, insbesondere in solchen, die sich durch eine relativ starke Elektron-Elektronen-Interaktion auszeichnen“, sagt Evgeny. „Diese Interaktion führt zu Effekten wie Ladungsordnung, Magnetismus, supraleitendem Zustand und anderen. In diesem Artikel haben wir untersucht, wie sich die Eigenschaften von Cupraten ändern, wenn Verunreinigungen dem System hinzugefügt werden, um die Elektronenkonzentration im Material zu reduzieren. Normalerweise wird ein solcher Prozess als Lochdotierung bezeichnet, und das Fehlen eines Elektrons als Loch.“

Es ist bekannt, dass Cuprates im Normalzustand Antiferromagnete sind. Beim Dotieren kann die Veränderung der magnetischen Eigenschaften verschiedener Cuprates in zwei Szenarien auftreten: Entweder wird der Antiferromagnetismus zerstört und geht in einen verzerrten antiferromagnetischen Zustand über oder Löcher beginnen, einen eigenen magnetischen Zustand zu bilden, der durch eine bestimmte Wellenzahl gekennzeichnet ist.

„In der untersuchten Verbindung erlebten wir das zweite Szenario, bei dem der Antiferromagnetismus durch starke Elektronenwechselwirkungen stabilisiert wird. Die Löcher bilden ihren magnetischen Zustand, wodurch der antiferromagnetische Zustand mit dem Dotieren unverändert ansteigt“, erklärt Evgeny Stepanov. „Wichtig ist, dass dieser Prozess in einem weiten Bereich von Elektronenkonzentrationen stattfindet. Dadurch kann der antiferromagnetische Zustand bei einer bestimmten Energie in Resonanz sein. Noch ist nicht sicher, welcher physikalische Mechanismus genau zum Auftreten von Supraleitung in diesen Materialien führt. Da wir nicht die einzige Gruppe sind, die diese Materialien untersucht, gibt es eine Theorie, dass es dieses resonante antiferromagnetische Material ist, das für den supraleitenden Zustand in Cupraten verantwortlich ist.“

Supraleitung ist die Eigenschaft von Materialien, keinen elektrischen Widerstand zu haben. In diesem Zustand können sich Elektronen innerhalb eines Materials frei bewegen und eine elektrische Ladung übertragen. In der Regel wird der supraleitende Zustand bei einer ausreichend niedrigen Temperatur von mehreren zehn Grad auf der Kelvin-Skala und/oder bei hohem Druck realisiert. Bei Raumtemperatur kann also der supraleitende Zustand noch nicht erreicht werden.

Aus experimenteller Sicht sind die Cuprates bereits gut untersucht. Theoretisch ist es recht schwierig zu verstehen, was in diesen Materialien unter der Wirkung der Lochdotierung passiert und warum sie solche Eigenschaften aufweisen. „Der Grund dafür ist eine sehr starke Elektron-Elektronen-Interaktion, die es nicht erlaubt, theoretische Standardmethoden zur Beschreibung elektronischer Eigenschaften in solchen Materialien zu verwenden“, sagt der Wissenschaftler. „Unsere Aufgabe ist es, die fortgeschritteneren Methoden, die wir entwickelt haben, zu verwenden, theoretisch das Vorhandensein eines resonanten antiferromagnetischen Zustands zu erklären und zu sehen, was mit diesem Zustand nach dem Doping passiert.“

So ermöglichen die Ergebnisse der Autoren zu bestimmen, welcher physikalische Mechanismus den resonanten antiferromagnetischen Zustand stabilisiert, der möglicherweise für die Hochtemperatursupraleitung in Cupraten verantwortlich ist.

Mehr Informationen:
Evgeny A. Stepanov et al, Quantenspinschwankungen und Entwicklung der elektronischen Struktur in Cupraten, npj Quantum Materials (2018). DOI: 10.1038/s41535-018-018-0128-x

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