Hochtemperatur-Supraleitung: Magnetisch getrieben
Bislang ist der verlustfreie Transport von Strom in Supraleitern nahezu ausschließlich ein Feld der Forschung. Insbesondere für die lukrativen Hochtemperatursupraleiter existiert noch nicht einmal das Verständnis, was in diesen Materialen für physikalische Vorgänge ablaufen. Nun scheint es zumindest eine heiße Spur zu geben.
Supraleitung ist ein äußerst merkwürdiges Phänomen. Dieser Materiezustand, bei dem der elektrische Widerstand gewisser Materialien urplötzlich verschwindet, wurde zwar bereits um das Jahr 1911 vom niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes an extrem kaltem Quecksilber beobachtet. Doch brauchte es fast 50 Jahre bis die drei amerikanischen Wissenschaftler John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer eine quantenmechanische Theorie dazu entwickelten, wofür sie 1972 der Nobelpreis erhielten. Nach der so genannten BCS-Theorie verbinden sich jeweils zwei Leitungselektronen zu einem so genannten Cooper-Paar. Aus den ursprünglich fermionischen Ladungsträgern mit ihren jeweiligen Eigendrehimpulsen von Spin 1/2 werden auf diese Weise Bosonen mit ganzzahligem Spin. Als solche können sie durch das Gitter der Festkörperatome gleiten, ohne messbar anzuecken.
Mittlerweile ist den Physikern auch klar, was die normalerweise relativ frei im Material herumschwirrenden Ladungsträger veranlasst, ihre gegenseitige Abneigung zu überwinden und sich paarweise zusammenzufinden – schließlich handelt es sich bei den Elektronen ja um gleichnamig geladene Teilchen, die sich wenn möglich am liebsten gegenseitig aus dem Wege gehen. Gitterschwingungen der Rumpfatome geben ihnen aber den entscheidenden Ruck.
Damit war zunächst alles klar, bis der deutsche Experimentalphysiker Georg Bednorz zusammen mit seinem Schweizer Kollegen Alex Müller im Jahr 1986 keramische Substanzen entdeckten, die bereits bei weitaus höheren Temperaturen supraleitend wurden. Ihre Versuche erregten ein derartig großes Interesse in der Fachwelt, dass sie bereits ein Jahr später in Stockholm den Physik-Nobelpreis in Empfang nehmen konnten.
Trotz emsiger Forschung steht eine geeignete Theorie, die erklärt, wie diese so genannten Hochtemperatursupraleiter funktionieren, aber bis heute aus. Sicher scheint nur: Gitterschwingungen reichen zur Erklärung nicht aus. Vielmehr scheinen magnetische Kräfte am Wirken zu sein. Zumindest hat man dies bereits mit großer Sicherheit für eine bestimmte Klasse der Hochtemperatursupraleiter nachweisen können. Denn ähnlich wie bei Halbleitern kann der Stromfluss auch in einem Supraleiter entweder durch die frei beweglichen gepaarten Elektronen zustande kommen, oder durch deren Fehlen. Die Leerstellen wirken dann wie positiv geladene Teilchen. Und für diese Sorte "löchriger" Hochtemperatursupraleiter scheinen die magnetischen Kräfte, die von Teilen der typischerweise oft komplexen Stoffzusammensetzung stammen, ausschlaggebend zu sein. Darauf deuten zumindest Versuche der vergangenen Jahre hin.
Nun hat eine Forschergruppe um Stephen Wilson und Pengcheng Dai von der Universität von Tennessee nach eigenen Angaben einen ähnlichen Zusammenhang zwischen der Supraleitung und den magnetischen Kräften erstmals ebenso bei der Stoffklasse nachgewiesen, die den Strom mittels realer Elektronenpaare verlustfrei transportiert. Dazu durchleuchteten sie mit Neutronen eine keramische Substanz aus den chemischen Elementen Praseodym, Lanthan, Cer, Kupfer und Sauerstoff – kurz PLCCO –, die bei einer Temperatur von etwa 24 Kelvin supraleitend wird. Die elektrisch neutralen Kernbausteine reagieren äußerst empfindlich auf die von ihnen durchflogenen Magnetfelder.
Auf diese Weise konnte die Arbeitsgruppe feststellen, dass es zwischen den magnetischen Feldern des Festkörpers, die von einigen ferromagnetischen Bestandteilen des Materials stammen, und den für die Supraleitung verantwortlichen Teilchen zu gewissen resonanzartigen Wechselwirkungen kommt, und zwar bei einer Energie, die sich als ein Vielfaches der so genannten Sprungtemperatur – beim PLCCO die besagten 24 Kelvin – ausdrücken lässt. Der von den Experimentatoren gemessene Wert deckt sich zudem hervorragend mit dem Ergebnis, das bereits von den "löchrigen" Hochtemperatursupraleitern bekannt ist. Daher schließen die Wissenschaftler, dass es sich hierbei um einen universellen Mechanismus dieser Stoffklassen handelt: Die magnetischen Kräfte bringen die freien Ladungsträger von Hochtemperatursupraleitern unterhalb der Sprungtemperatur zu Cooper-Paaren zusammen.
Die Wissenschaftler hoffen nun, damit einen weiteren Schritt zum Verständnis dieser ungewöhnlichen Materialien getan zu haben. Gelänge es beispielsweise, Supraleiter zu erschaffen, die sich relativ kostengünstig kühlen lassen – oder sogar bei Zimmertemperatur einsetzbar wären –, könnten Wirtschaft und Industrie Unmengen von Energie sparen. Daher sind zahlreiche Forscher in vielen Laboratorien rund um den Globus intensiv auf der Suche nach diesen begehrten Stoffen. Stück für Stück kommen sie den Geheimnissen dieser Materialien jetzt auf die Spur.
Mittlerweile ist den Physikern auch klar, was die normalerweise relativ frei im Material herumschwirrenden Ladungsträger veranlasst, ihre gegenseitige Abneigung zu überwinden und sich paarweise zusammenzufinden – schließlich handelt es sich bei den Elektronen ja um gleichnamig geladene Teilchen, die sich wenn möglich am liebsten gegenseitig aus dem Wege gehen. Gitterschwingungen der Rumpfatome geben ihnen aber den entscheidenden Ruck.
Damit war zunächst alles klar, bis der deutsche Experimentalphysiker Georg Bednorz zusammen mit seinem Schweizer Kollegen Alex Müller im Jahr 1986 keramische Substanzen entdeckten, die bereits bei weitaus höheren Temperaturen supraleitend wurden. Ihre Versuche erregten ein derartig großes Interesse in der Fachwelt, dass sie bereits ein Jahr später in Stockholm den Physik-Nobelpreis in Empfang nehmen konnten.
Trotz emsiger Forschung steht eine geeignete Theorie, die erklärt, wie diese so genannten Hochtemperatursupraleiter funktionieren, aber bis heute aus. Sicher scheint nur: Gitterschwingungen reichen zur Erklärung nicht aus. Vielmehr scheinen magnetische Kräfte am Wirken zu sein. Zumindest hat man dies bereits mit großer Sicherheit für eine bestimmte Klasse der Hochtemperatursupraleiter nachweisen können. Denn ähnlich wie bei Halbleitern kann der Stromfluss auch in einem Supraleiter entweder durch die frei beweglichen gepaarten Elektronen zustande kommen, oder durch deren Fehlen. Die Leerstellen wirken dann wie positiv geladene Teilchen. Und für diese Sorte "löchriger" Hochtemperatursupraleiter scheinen die magnetischen Kräfte, die von Teilen der typischerweise oft komplexen Stoffzusammensetzung stammen, ausschlaggebend zu sein. Darauf deuten zumindest Versuche der vergangenen Jahre hin.
Nun hat eine Forschergruppe um Stephen Wilson und Pengcheng Dai von der Universität von Tennessee nach eigenen Angaben einen ähnlichen Zusammenhang zwischen der Supraleitung und den magnetischen Kräften erstmals ebenso bei der Stoffklasse nachgewiesen, die den Strom mittels realer Elektronenpaare verlustfrei transportiert. Dazu durchleuchteten sie mit Neutronen eine keramische Substanz aus den chemischen Elementen Praseodym, Lanthan, Cer, Kupfer und Sauerstoff – kurz PLCCO –, die bei einer Temperatur von etwa 24 Kelvin supraleitend wird. Die elektrisch neutralen Kernbausteine reagieren äußerst empfindlich auf die von ihnen durchflogenen Magnetfelder.
Auf diese Weise konnte die Arbeitsgruppe feststellen, dass es zwischen den magnetischen Feldern des Festkörpers, die von einigen ferromagnetischen Bestandteilen des Materials stammen, und den für die Supraleitung verantwortlichen Teilchen zu gewissen resonanzartigen Wechselwirkungen kommt, und zwar bei einer Energie, die sich als ein Vielfaches der so genannten Sprungtemperatur – beim PLCCO die besagten 24 Kelvin – ausdrücken lässt. Der von den Experimentatoren gemessene Wert deckt sich zudem hervorragend mit dem Ergebnis, das bereits von den "löchrigen" Hochtemperatursupraleitern bekannt ist. Daher schließen die Wissenschaftler, dass es sich hierbei um einen universellen Mechanismus dieser Stoffklassen handelt: Die magnetischen Kräfte bringen die freien Ladungsträger von Hochtemperatursupraleitern unterhalb der Sprungtemperatur zu Cooper-Paaren zusammen.
Die Wissenschaftler hoffen nun, damit einen weiteren Schritt zum Verständnis dieser ungewöhnlichen Materialien getan zu haben. Gelänge es beispielsweise, Supraleiter zu erschaffen, die sich relativ kostengünstig kühlen lassen – oder sogar bei Zimmertemperatur einsetzbar wären –, könnten Wirtschaft und Industrie Unmengen von Energie sparen. Daher sind zahlreiche Forscher in vielen Laboratorien rund um den Globus intensiv auf der Suche nach diesen begehrten Stoffen. Stück für Stück kommen sie den Geheimnissen dieser Materialien jetzt auf die Spur.
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.