Titannitrid-Filme zwischen Supraleiter und idealem Isolator

Regensburg/Argonne (USA) - Liegen volle Batterien ungenutzt in der Schublade, entladen sie sich langsam mit der Zeit. Mit Superisolatoren – Werkstoffen, die nicht mal den geringsten Strom leiten – könnte dies in Zukunft vermieden werden. Diese Hoffnung äußern Physiker an der Universität Regensburg, die in hauchdünnen Filmen aus Titannitrid superisolierende Eigenschaften festgestellt haben. Ergebnisse und Erklärungsversuche zu diesem Phänomen veröffentlichen sie in der Zeitschrift "Nature".

“Ein Superisolator kann nicht auftreten ohne die Existenz von Supraleitung in dem gleichen Film", sagt Valerii Vinokour vom Argonne National Laboratory, der zusammen mit belgischen und russischen Forschern an den Arbeiten der Universität Regensburg beteiligt war. Ein und dasselbe Material kann sich also vom besten vorstellbaren Stromleiter zum perfekten Isolator wandeln. Der Grund liegt in vergleichbaren Mechanismen auf der Skala von Ladungsträgern und magnetischen Feldquanten.

Tiefgekühlt auf Werte unterhalb von etwa minus 268 Grad Celsius wird Titannitrid supraleitend. Bei noch tieferen Temperaturen nur 20 bis 70 Millionstel Grad oberhalb vom absoluten Nullpunkt und einem äußeren Magnetfeld von 0,9 Tesla dagegen bricht der widerstandslose Stromfluss ab und der Werkstoff geht in einen superisolierenden Zustand über. Die elektrische Leitfähigkeit geht auf Null zurück. Erst bei einer höheren angelegten Spannung nimmt der Stromfluss wieder abrupt zu. Lawinenartig scheint an diesem Punkt die Beweglichkeit der Ladungen einzusetzen.

Auf der Nähe von Supraleiter und Superisolator bauen die Forscher die Erklärung auf, um das völlig entgegengesetzte Verhalten in ein und demselben Material bei nur geringfügig veränderten, äußeren Bedingungen verstehen zu können.Unterstützt mit theoretischen Abschätzungen schlagen die Physiker vor, dass beim Übergang von Supraleiter zum Superisolator elektrische Ladungen und magnetische Wirbel ihre Rollen tauschen. In Supraleitern können sich Ladungen in Form von Cooper-Paaren frei durch ein Material bewegen. Ein Magnetfeld durchdringt dabei das Material und bildet Feldquanten, die in wechselnden Richtungen rotieren. Beim Superisolator dagegen sollen die magnetischen Wirbel Paare bilden und um entgegengesetzte Ladungen zirkulieren. Dadurch werden die Cooper-Paare gebunden und an einer festen Position gehalten. Es kann überhaupt kein Strom mehr fließen und die elektrischen Leitfähigkeit sinkt auf Null ab.

Unter Festkörperphysikern wird diese Erklärung allerdings nicht uneingeschränkt akzeptiert. "Diese theoretische Interpretation wird immer noch stark diskutiert", sagt Paul Müller von der Universität Erlangen-Nürnberg. Auch wenn es sich hierbei um einen Disput unter Grundlagenforschern handelt, kann sich Vinokour auch praktische Anwendungen für Superisolatoren vorstellen. Er denkt dabei an eine perfekte Batterie, die wegen der unterbrochenen Leitfähigkeit sich überhaupt nicht mehr mit der Zeit bei ungenutzter Lagerung entladen kann. "Aber bis zu kommerziellen Modulen ist es noch ein weiter Weg", so Vinokour.