MPMS und PPMS: Pioniere für die Erforschung der Raumtemperatur-Supraleitung
Abb. 1: Ein Magnet schwebt über einem kalten Supraleiter und zeigt den Meisner-Effekt
Die Suche nach einem Raumtemperatursupraleiter ist nach wie vor eines der spannendsten Unterfangen in der experimentellen Physik der kondensierten Materie. In den letzten Jahren haben sich die Berichte über die Entdeckung dieses lang gesuchten Materials unter großem Aufsehen verbreitet. Es gab viele Kontroversen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, um die Behauptungen über die Supraleitung bei Raumtemperatur zu bestätigen oder zu widerlegen. Ein Material, das unter Umgebungsbedingungen Supraleitfähigkeit aufweist, würde es ermöglichen, dass elektrische Ströme ohne Leistungsverluste fließen, wie sie selbst bei den besten heute existierenden konventionellen Metallleitern auftreten.
Das MPMS (Magnetic Property Measurement System) und das PPMS (Physical Property Measurement System) von Quantum Design sind die führenden Plattformen für die kryogene Materialcharakterisierung, die bei der Entdeckung neuer supraleitender Verbindungen eingesetzt werden. Nahezu jede Einrichtung und jedes Forschungslabor, das sich der Supraleitungsforschung befasst, setzt eines, beide oder mehrere dieser Instrumente bei der experimentellen Arbeit zur Charakterisierung neuer Materialien ein.
Abb. 2: Der weltbekannte SQUID-Experte Prof. John Clarke (UCB) stellt das MPMS 3 in seinem Vortrag über Anwendungen von SQUID-Geräten auf der APS Konferenz vor.
Die magnetische AC-Suszeptibilität ist ein hervorragender Test für die Supraleitung in allen Materialien, einschließlich Materialien unter hohem Druck. Der Sprung zur Supraleitung führt zu einem starken Abfall der AC-Suszeptibilität. Das MPMS 3 ist dank des Einsatzes der empfindlichsten Technologie zur Messung der Suszeptibilität, die auf einem SQUID-Sensor (Superconducting Quantum Interference Device) basiert, das weltweit führende AC-Suszeptometer. Ein langjähriger Pionier auf diesem Gebiet ist Prof. Cava vom Fachbereich Chemie an der Princeton University. Die Gruppe gibt an, im Schnitt einen von zwei Supraleitern pro Jahr zu entdecken. Die Cava-Forschungsgruppe verwendet sowohl das MPMS als auch das PPMS für ihre Forschung. Mit der Entdeckung der Supraleitung im Jahr 1988 bei Temperaturen bis etwa 22 K, erzielten Cava und Mitarbeiter eine supraleitende Übergangstemperatur von 29,8 K in einem Einkristall aus Ba0.6K0.4BiO3. Das Einsetzen der supraleitenden Übergangstemperatur für dieses Material wurde von Cava et al. anhand einer Magnetisierungsmessung der magnetischen Abschirmung (auch bekannt als Meisner-Effekt) beim Abkühlen der Probe in einem Magnetfeld von 19 Oe im MPMS bestimmt. Zusammen mit der ersten Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung durch J. G. Bednorz und Prof. Müller bei IBM (Zürich) in den La-Ba-Cu-O-Materialien, trugen die Ergebnisse von Cava dazu bei, die psychologische Barriere zu durchbrechen, die Physiker davon abgehalten hatte, die Suche nach der Supraleitung bei Raumtemperatur aufzunehmen. Derzeit halten die Kuprate bei normalem Atmosphärendruck den Rekord bei der Übergangstemperatur und zeigen Supraleitfähigkeit bis zu 138 K (- 135 C°). Diese wurden von Prof. Schilling und seinen Mitarbeitern an der ETH (Zürich) entdeckt und ebenfalls mit dem MPMS charakterisiert.
Abb. 3: Elektrische Messung eines supraleitenden Übergangs im PPMS
Abb. 4 Artikel der Washington Post über LK-99 mit dem MPMS EverCool und dem PPMS-Puck.
Das PPMS bietet eine Reihe von begleitenden Messoptionen, die dazu beitragen können, mögliche zugrunde liegende Mechanismen aufzuklären, die für exotische Materiezustände einschließlich des supraleitenden Zustands verantwortlich sind. Dazu gehören die Messung der spezifischen Wärme, der Wärmeleitfähigkeit und der Dilatation, um nur einige zu nennen. Eine gängige Messung des supraleitenden Zustands ist die Charakterisierung des vollständigen Verlusts des elektrischen Widerstands unterhalb einer bestimmten Temperatur. Abb. 3 zeigt ein Beispiel für solche Daten, die aus einer PPMS-Widerstandsmessung gewonnen wurden.
Die im PPMS durchgeführten Widerstandsmessungen sind schnell zum Lackmustest für die Überprüfung von Behauptungen über die Entdeckung eines neuen Supraleiters geworden, insbesondere für Materialien, die bei Raumtemperatur supraleitend sein sollen. Die Datenanalyse, insbesondere die so genannte "Hintergrundsubtraktion", muss sehr sorgfältig durchgeführt werden, da das relevante Signal im Vergleich zum Rauschen oft sehr klein ist. Dies und andere Feinheiten können zu irreführenden Interpretationen von Versuchsergebnissen führen.
Abb. 4 zeigt eine Werkbank im Physiklabor von Prof. Gang Cao an der University of Colorado Boulder, wo eine Probe von LK-99 auf einem PPMS-Puck für Tests montiert wird. LK-998 ist das neuesten Material, von dem behauptet wird, es sei ein Supraleiter für Raumtemperatur. Die Washington Post zeichnet die Geschichte der LK-99-Entdeckung nach, die mit der Ankündigung koreanischer Forscher begann, die sich rasant in den sozialen Medien verbreitete. Die vermeintliche Entdeckung führten zu einer vorübergehenden Rallye der koreanischen Supraleiter-Aktien (siehe Abb. 5), stießen aber in der wissenschaftlichen Gemeinschaft offenbar auf erhebliche Skepsis.
Wie so oft bei ähnlichen Entdeckungen spielten sowohl das PPMS als auch das MPMS eine Rolle bei der ersten Forschungsarbeit, in der die Entdeckung eines supraleitenden Zustands in LK-99 behauptet wurde, und bei den anschließenden Bemühungen von Laboratorien auf der ganzen Welt, die ursprünglichen Ergebnisse zu reproduzieren. Zweifellos ist die Art und Weise, wie Experimente durchgeführt, Daten analysiert und Ergebnisse interpretiert werden, nach wie vor von entscheidender Bedeutung für die Überprüfung und Akzeptanz einer solchen Entdeckung. Das gilt besonders für eine monumentale Entdeckung wie die Raumtemperatur-Supraleitung. Die MPMS- und PPMS-Plattformen sind für Forscher, die auf diesem Gebiet arbeiten, ein grundlegendes Werkzeug. Es ist unwahrscheinlich, dass eine neue supraleitende Verbindung und insbesondere ein Raumtemperatursupraleiter entdeckt wird, ohne dass sie zuvor in einem MPMS oder PPMS gründlich charakterisiert wurde.
So tragen diese Plattformen zum wissenschaftlichen Prozess und zum Verständnis von Phänomenen wie der Raumtemperatursupraleitung bei.
Abb. 5: Koreanische supraleitende Aktien erreichen nach der Entdeckung von LK-99 ihren Höchststand
Präzisionsmessungen:
MPMS- und PPMS-Systeme sind so konzipiert, dass sie hochpräzise und empfindliche Messungen verschiedener physikalischer Eigenschaften wie magnetische Suszeptibilität, elektrischer Widerstand, spezifische Wärme und mehr ermöglichen. Im Zusammenhang mit der Supraleitungsforschung ermöglichen sie den Wissenschaftlern, die kritische Temperatur (Tc), das kritische Magnetfeld (Hc) und andere relevante Parameter mit großer Präzision zu messen.
Charakterisierung:
Die Systeme ermöglichen es den Forschenden, die Eigenschaften von Materialien unter verschiedenen Bedingungen systematisch zu untersuchen, beispielsweise bei unterschiedlichen Temperaturen, Magnetfeldstärken und Drücken. Dies hilft bei der Identifizierung des einzigartigen Verhaltens und der Eigenschaften von Materialien, einschließlich ihrer supraleitenden Übergänge und kritischen Parameter.
Verstehen von Phasenübergängen:
Supraleitende Materialien weisen bei bestimmten Temperaturen und Magnetfeldstärken Phasenübergänge auf. Mit den MPMS- und PPMS-Systemen können Wissenschaftler diese Phasenübergänge beobachten und analysieren und so die der Supraleitung zugrunde liegenden Mechanismen erforschen.
Vielseitigkeit:
MPMS- und PPMS-Systeme sind vielseitige Instrumente, die für die Untersuchung einer breiten Palette von Materialien und Phänomenen jenseits der Supraleitung eingesetzt werden können. Diese Vielseitigkeit macht sie für die interdisziplinäre Forschung wertvoll.
Überwachung in Echtzeit:
Forschende können das Verhalten von Materialien bei Temperatur- oder Magnetfeldänderungen in Echtzeit überwachen und so Einblicke in die dynamischen Prozesse bei supraleitenden Übergängen gewinnen.
Vergleich und Validierung:
Die Verfügbarkeit von standardisierten Messverfahren und -geräten wie MPMS- und PPMS-Systemen erleichtert den Vergleich zwischen verschiedenen Forschungsgruppen und Labors. Dies verbessert die Validierung und Reproduzierbarkeit von Versuchsergebnissen.
Innovation:
Forschende können diese Plattformen nutzen, um neue Materialien mit optimierten Eigenschaften für potenzielle technologische Anwendungen zu entwickeln und zu gestalten. Indem sie das Verhalten bestehender Materialien verstehen, können sie Zusammensetzungen und Strukturen anpassen, um die gewünschten supraleitenden Eigenschaften zu erzielen.
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