Ein Kristall aus sehr dünnen Schichten verändert sich tiefgreifend, wenn er komprimiert wird. Bei hohem Druck und nahe dem absoluten Nullpunkt wird er supraleitend. Der Strom kann dann ohne messbaren elektrischen Widerstand durch ihn fließen. Diese Veränderung tritt genau dann auf, wenn die magnetische Ordnung des Materials verschwindet – eine Nähe, die Physiker fasziniert.
Das untersuchte Material heißt CeSiI. Bei Normaldruck leitet es bereits Strom und weist ein gut geordnetes magnetisches Verhalten auf. Supraleitend wird es jedoch nur bei einer extrem tiefen Temperatur. Der gemessene Höchstwert liegt bei etwa -272,9 °C, also 0,24 K, nur 0,24 °C über dem absoluten Nullpunkt.
Der Meissner-Effekt: eine Erscheinungsform der Supraleitung
Bild: Peter Nussbaumer – CC BY-SA 3.0
Seine Struktur ähnelt einer Stapelung von Schichten, die relativ schwach miteinander verbunden sind. Diese Anordnung ermöglicht es, Verhaltensweisen zu untersuchen, die denen zweidimensionaler Materialien nahekommen. CeSiI gehört außerdem zu einer Familie, in der die Wechselwirkungen zwischen Elektronen besonders stark sind. Die beweglichen Elektronen reagieren dort auf die kleinen Magnete, die von bestimmten Atomen getragen werden.
Bei Normaldruck richten sich diese kleinen Magnete nach einer präzisen Ordnung aus: benachbarte Magnete zeigen in entgegengesetzte Richtungen. Man spricht von Antiferromagnetismus. Beim allmählichen Zusammendrücken des Kristalls stellten die Forscher fest, dass diese Ordnung schwächer wird und bei etwa 6 GPa verschwindet. Dieser Druck entspricht etwa dem 60 000-Fachen des Atmosphärendrucks auf Meereshöhe.
Gerade in der Nähe des Verschwindens des Antiferromagnetismus tritt die Supraleitung auf. Diese Nähe ist interessant, weil sie Aufschluss darüber geben kann, wie sich die Elektronen verbinden. In einem gewöhnlichen Supraleiter hängt diese Verbindung hauptsächlich von den Schwingungen der Atome im Kristall ab.
Die Forscher verfügen damit über ein und dasselbe Material, in dem Druck, Magnetismus und Supraleitung gemeinsam eingestellt werden können. CeSiI lässt sich insbesondere in sehr dünne Schichten teilen, was es ermöglichen wird, diese Wechselwirkungen zu untersuchen, wenn die Dicke abnimmt. Die nächsten Experimente sollen genauer bestimmen, welcher Mechanismus die Elektronen verbindet und in dieser magnetischen Umgebung die Supraleitung erzeugt.