Durchbruch im Verstaendnis der Hochtemperatur-Supraleitung
Am Hoechstleistungsrechenzentrum (HLRZ) Juelich ist ein bedeutender Schritt in Hinblick auf das theoretische Verstaendnis der Hochtemperatur-Supraleitung gelungen. Mit Hilfe eines Supercomputers vom Typ CRAY Y-MP 832 ist es Ingo Morgenstern (Regensburg), Martin Frick (Groningen) und Wolfgang von der Linden (Muenchen) gelungen, Hochtemperatur-Supraleitung zum ersten Mal numerisch in einem speziellen Elektron-Phonon-Modell nachzuweisen. Dies ist das Ergebnis einer jahrelangen Forschungstaetigkeit, die am IBM-Forschungslabor Rueschlikon in Zusammenarbeit mit den Entdeckern der Substanzen, den Nobelpreistraegern K. A. Mueller und J. G. Bednorz, begonnen hatte. Das HLRZ ist eine gemeinsame Einrichtung des Forschungszentrums Juelich, der Gesellschaft fuer Mathematik und Datenverarbeitung (GMD) Birlinghoven und der Stiftung Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) Hamburg. Das Forschungszentrum Juelich betreibt fuer das HLRZ einen Rechner vom Typ CRAY Y-MP mit acht Prozessoren, die bei guter Programmierung jeweils eine Rechenleistung von 250 Millionen Multiplikationen oder Additionen pro Sekunde erreichen. Der Rechner wird fuer wissenschaftliche Projekte von Hochschulen und Forschungseinrichtungen genutzt. Das HLRZ stellt fuer wissenschaftlich bedeutende Projekte Rechenzeit kostenlos zur Verfuegung. Ein besonders grosses Projekt mit einem Umfang von mehreren tausend Stunden Rechenzeit gilt der Hochtemperatur- Supraleitung in einer Zusammenarbeit zwischen W. Hanke, I. Morgenstern, W. von der Linden, A. Muramatsu, M. Frick und G. Dopf. Alle Stoffe setzen dem elektrischen Strom einen bestimmten Widerstand entgegen. Kuehlt man bestimmte Stoffe auf sehr tiefe Temperaturen - die sogenannte Sprungtemperatur -, verschwindet dieser Widerstand schlagartig, und der elektrische Strom wird verlustfrei transportiert. Dieser Effekt wird Supraleitung genannt. Bis vor wenigen Jahren war jedoch die Kuehlung mit fluessigem Helium auf etwa -250 Grad Celsius erforderlich. Nach der Entdeckung der oxidischen Hochtemperatur-Supraleiter genuegten Temperaturen um -150 Grad. Dies laesst sich schon mit dem viel billigeren fluessigen Stickstoff erreichen. Anwendungen fuer die Hochtemperatur- Supraleitung zeichnen sich unter anderem in der Mikroelektronik ab. Obwohl Hochtemperatur-Supraleiter aus bestimmten oxidischen Materialien heute schon routinemaessig hergestellt werden koennen, ist die Frage, warum sie supraleitend werden, noch ungeklaert. Der Beantwortung dieser Frage dient das Grossprojekt "Hochtemperatur- Supraleitung" beim Juelicher Hoechstleistungsrechenzentrum. Das Werkzeug hierfuer sind Computersimulationen anhand von theoretischen Modellen. Eines der weltweit verwendeten Modelle ist das Hubbard-Modell. Dieses Modell beschreibt ausschliesslich die in allen Hochtemperatur- Supraleitern vorhandenen Kupferoxid-Ebenen. Die Arbeitsgruppe in Wuerzburg (W. Hanke, A. Muramatsu und G. Dopf) konnten durch massiven Grossrechnereinsatz nachweisen, dass dieses Modell viele der einmaligen elektronischen sowie magnetischen Eigenschaften der neuen Materialien im normal-leitenden Zustand erklaeren kann. Ob das Hubbard-Modell allerdings auch die Supraleitung erklaeren kann, ist trotz sorgfaeltiger numerischer Studien der Wuerzburger Gruppe noch unklar. Eine Erweiterung dieses Modells wurde von I. Morgenstern, M. Frick und W. von der Linden untersucht. Hierbei wird die Bewegung der Ladungstraeger zusaetzlich an die lokalen Schwingungen der sogenannten "Apex-Sauerstoffe" angekoppelt (Die Apex-Sauerstoffe befinden sich an der Spitze einer Sauerstoffpyramide ueber den Ebenen). Diese Ankopplung stellt den entscheidenden Schritt in Richtung Hochtemperatur-Supraleitung dar. Die bedeutende Rolle des Apex-Sauerstoffs wurde von Nobelpreistraeger K.A. Mueller schon sehr frueh erkannt; entsprechende Elektron-Phonon-Modelle wurden bereits in Rueschlikon aufgestellt. Aber alle Versuche, Hochtemperatur-Supraleitung numerisch nachzuweisen, konnten bisher nicht eindeutig interpretiert werden. Erst als das Hoechstleistungsrechenzentrum Juelich Rechenzeit zur Verfuegung stellte, die alle anderen Anstrengungen auf der Welt weit uebertraf, gelang der entscheidende Schritt. Nach diesem Erfolg wird es in der naechsten Zukunft darum gehen, die Bedeutung des vorgeschlagenen Modells experimentell zu untermauern und darueber hinaus fuer den Anwendungsbereich interessante Simulationen durchzufuehren. Dazu sind weltweite Anstrengungen bereits angelaufen. Ziel ist es, Supraleiter herzustellen, die eine fuer technische Anwendungen ausreichend hohe Stromdichte tragen koennen. Bisher ist es insbesondere nicht gelungen, Keramiken von einer Qualitaet herzustellen, die die Fabrikation von Draehten fuer die Starkstromtechnik erlauben wuerden. In bereits angelaufenen Simulationen wird man in Juelich versuchen, diesem Problem auf die Spur zu kommen. Eine Zusammenarbeit besteht bereits mit einem Hersteller von Keramik. Dennoch wird die erste Anwendung von Hochtemperatur-Supraleitern im Bereich der Elektronik erwartet, etwa beim Bau neuer supraleitender Supercomputer. Numerische Simulationen, basierend auf dem Juelicher Resultat, werden hierbei eine bedeutende Rolle spielen. Weitere Informationen: Forschungszentrum Juelich Oeffentlichkeitsarbeit Postfach 5170 Juelich Telefon (02461) 61-4661 Telefax (02461) 61-4666 E-Mail WTA100@DJUKFA11.BITNET.DBP.DE ------------------------------------------------------------------------------