Der Forschungsschwerpunkt liegt auf den bei tiefen Temperaturen in der kondensierten Materie auftretenden makroskopischen Quantenphänomenen. Dazu gehört u.a. die Supraleitung. Diese ist gekennzeichnet durch das vollständige Verschwinden des Gleichstromwiderstands unterhalb einer gewissen Übergangstemperatur Tc.Die Eigenschaften zahlreicher Supraleiter werden qualitativ und zum Teil quantitativ durch die von Bardeen, Cooper und Schrieffer (BCS) im Jahre 1957 veröffentlichte Theorie erklärt. Kernstück dieser Theorie ist eine durch Phononen-Austausch vermittelte anziehende Wechselwirkung zwischen Elektronen, die zur Bildung sogenannter Cooper-Paare führt.
Seit im Jahre 1987 oxydische Substanzen mit Perovskitstruktur entdeckt wurden, deren Übergangstemperaturen oberhalb der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs liegen, haben sich die Forschungsaktivitäten auf dieses auch technologisch relevante Arbeitsgebiet konzentriert. Im Mittelpunkt der theoretischen Untersuchungen steht die Frage, ob die experimentell beobachteten Eigenschaften dieser neuen Hochtemperatursupraleiter, welche sich von jenen konventioneller Supraleitern nicht nur durch die Höhe der Sprungtemperatur unterscheiden, durch geeignete Verallgemeinerung der BCS-Theorie der Supraleitung zu verstehen sind. Diese Verallgemeinerungen beinhalten die Möglichkeit, dass die Bildung von Cooper Paaren auf eine abstoßende Wechselwirkung magnetischen Ursprungs zurückzuführen ist. Besondere Aktualität hat diese Frage durch die im Januar 2001 veröffentlichte Entdeckung eines supraleitenden Phasenübergangs bei 39 K in Magnesiumdiborid MgB2 gewonnen. Im Gegensatz zu den Hochtemperatursupraleitern hat diese intermetallische Verbindung eine recht einfache Kristallstruktur und zeigt keine auffälligen magnetischen Eigenschaften. Dennoch ist die Sprungtemperatur höher als die des ersten 1986 entdeckten Hochtemperatursupraleiters La2-xBaxCuO4. Andererseits hat die auch ohne Dotierung leitenden Verbindung Sr2RuO4, die dieselbe Perovskitstruktur hat wie die Hochtemperatursupraleiter, nur eine Sprungtemperatur von 1 K. Hier ist die Vermutung, daß wie im suprafluiden Helium 3 Cooper Paare mit einem Gesamtspin 1 gebildet werden.
Ziel unserer Untersuchungen ist einerseits, die Natur der Wechselwirkung,
die zur Bildung eines supraleitenden Zustands in so unterschiedlichen
Substanzen und insbesondere bei vergleichsweise hohen Temperaturen
führt, aufzuklären. Dazu werden Modelle entwickelt, deren
Vorhersagen mit allen verfügbaren Messungen etwa der
Tunnelzustandsdichte, der spezifischen Wärme, der Kernspinrelaxation,
der optischen Leitfähigkeit und der Ultraschallabsorption verglichen
werden. Andererseits eröffnet ein tieferes Verständnis die
Möglichkeit, jene Materialeigenschaften (kritische Stromdichte,
Wechselstromverluste), die für die technologische Anwendung von
entscheidender Bedeutung sind, zu verbessern.
Von zentraler Bedeutung für das Verständnis aller dieser neuen
Supraleiter ist die ausgeprägte Schichtstruktur. Häufig begnügt
man sich mit rein zweidimensionalen Modellen, in denen Fluktuationen
den supraleitenden Phasenübergang jedoch verhindern würden.
Untersuchungen von Fluktuationen des Ordnungsparameters spielen daher
eine wichtige Rolle. Mindestens ebenso wichtig ist jedoch die
Berücksichtigung der Kopplung in die dritte Dimension. Hierbei
kann sich ein, wenn auch schmales, Leitungsband ausbilden, so dass
man es mit einem anisotropen Festkörper zu tun hat. Die Kopplung
zwischen den Einheitszellen kann aber auch ausschließlich durch
einen quantenmechanischen Tunnelvorgang vermittelt werden, so dass
ein Suprastrom senkrecht zu den leitenden Ebenen nur durch den
Josephson Effekt möglich wird. Im mikroskopischen Verständnis
des Tunnelprozesses insbesondere zwischen zwei zweidimensionalen Systemen
klaffen jedoch noch beträchtliche Lücken.
Aufgrund von Fortschritten in der Präparation sind auch heterogenene Systeme wie Supraleiter/Halbleiter/Supraleiter Kontakte und Ferromagnet/Supraleiter/Ferromagnet Multilagen von großem Interesse. Solche Systeme lassen ganz gezielt Untersuchungen des Tunneleffekts zu. Darüber hinaus haben sie ein noch nicht abzuschätzendes Anwendungspotential in der Mess- und Computertechnik.