Rätsel um seltene Uranverbindung steht vor der Lösung

Seit über 25 Jahren führt eine seltene Verbindung aus Uran, Ruthenium und Silizium die Physiker an der Nase herum. Denn dieses Metall zeigt tiefgekühlt auf minus 255 Grad Celsius typische Anzeichen eines Phasenübergangs – nur ändert sich dabei weder, wie eigentlich erwartet, die Kristallstruktur noch die Anordnung der Atome. Die Lösung dieses Rätsels könnte ein Team von Wissenschaftler der Rutgers University (USA), der University of London (UK) und dem MIT (USA) nun in einem speziellen Verhalten der Elektronen in diesem Material gefunden haben. Ihr Modell, das auch zu einer besseren Erklärung von Hochtemperatursupraleitern führen könnte, stellen sie in der Zeitschrift „Nature“ vor.

1985 machten Physiker erstmals auf das unerklärliche Verhalten in den magnetischen und supraleitenden Eigenschaften von Uranrutheniumsilizid bei tiefen Temperaturen aufmerksam. Dutzende Theorien wurden in den Folgejahren entwickelt und oft wieder verworfen. Doch das nun entwickelte Modell von Piers Coleman und seinen Kollegen könnte die Diskussionen zum Abschluss führen. Sie fanden heraus, dass sich im Einklang mit geltenden Regeln der Festkörperphysik durchaus eine für einen Phasenübergang nötige Ordnung ausbilden kann, ohne dass Anzeichen in der Kristallstruktur zu sehen sein müssen.

Die Lösung sehen Coleman und Kollegen in einer nach der Theorie möglichen Kopplung der Uranionen mit relativ freien und mobilen Elektronen in äußeren Orbitalen. Diese Kopplungen lassen sich mathematisch als sogenannte Spinoren beschreiben. Bei vollzogenem Phasenwechsel weisen die Spinoren eine jeweils entgegengesetzte Ausrichtung ihrer magnetischen Spins auf. Diese Anordnung entspricht den Magnetspins in einem antiferromagnetischem Material, in dem sich die Wirkung aller Spins zusammen gegenseitig aufhebt. Daraus würde sich über den gesamten Kristall eine bislang nur vermutete, übergeordnete elektronische Struktur ergeben, die den Wechsel der Eigenschaften beim Phasenübergang erklären könne.

Dieses „Spinor-Modell“ hat das Potenzial, das Verhalten von weiteren ähnlich aufgebauten Metallverbindungen besser erklären zu können. Dazu zählen etwa spezielle Supraleiter, die schon bei relativ hohen Temperaturen in den Zustand der widerstandslosen Stromleitung springen. Ob die neue Erklärung nun Bestand hat, lässt sich bisher allerdings nicht absehen. Sicher ist jedoch, dass viele Physiker nun das neue Modell auf seine Stärken und Schwächen untersuchen werden.