Supraleiter gibt es wie Sand am Meer. Doch wirklich universell verwendbar werden diese Materialien erst, wenn sie ihren elektrischen Widerstand bei leicht zu erreichenden Temperaturen verlieren – idealerweise bei Raumtemperatur. Noch jedoch müssen alle bekannten Supraleitermaterialien unter 170 Kelvin gekühlt werden, um Strom verlustfrei zu leiten. Forscher vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart haben jetzt einen Effekt entdeckt, durch den die Sprungtemperatur deutlich erhöht werden kann, indem der Supraleiter in Form von Nanopartikeln genau definierter Größe vorliegt.

In einem makroskopischen Festkörper bilden die supraleitenden elektronischen Zustände ein breites Zustandsband, in Nanoteilchen dagegen können die wenigen Atome nur eine kleine Zahl von Zuständen besetzen – die Energieniveaus sind quantisiert. Theoretisch haben Physiker dieses als Schaleneffekt bezeichnete Phänomen bereits vor einiger Zeit vorhergesagt. Demnach bilden metallische Nanopartikel elektronische Schalen – ähnlich den Schalen, auf denen sich die Elektronen in einzelnen Atomen anordnen. Wie im Atom werden auch die Energieniveaus des Nanopartikels mit Elektronen aufgefüllt.

Bei bestimmten Elektronenzahlen pro Schale allerdings verändert sich das Verhalten der Elektronen als Gesamtheit: Sie schließen sich in den Schalen leichter zu den entscheidenden Cooper-Paaren zusammen, die sich ohne Widerstand durch das Material bewegen können. Das zeigt sich in einer deutlich erhöhten Sprungtemperatur. Wann die Schalen eine solche "magische" Elektronenkonfiguration einnehmen, hängt unter anderem von der Größe und Form der Partikel ab.

Laborexperimente des Teams um Klaus Kern zeigten, dass die supraleitende Energielücke insbesondere von Zinn-Nanopartikeln sehr empfindlich auf die Partikelgröße reagiert. Sie nimmt allerdings weder kontinuierlich ab noch steigt sie stetig an, sondern springt vielmehr stark hin und her. Die Größe braucht sich nur um Bruchteile eines Nanometers zu ändern, und schon springt die kritische Temperatur in die Höhe, bevor sie im nächstkleineren Partikel schon wieder drastisch abfällt. In Nanopartikeln unterhalb von vier Nanometer Durchmesser trat dagegen überhaupt keine Supraleitung mehr auf – ein Effekt, der schon vor einem halben Jahrhundert vorhergesagt, aber erst jetzt gemessen wurde.

Um die Ergebnisse theoretisch zu untermauern, ergänzten die Forscher die klassische BCS-Theorie der Supraleitung um Terme für die begrenzte Ausdehnung der Teilchen und konnten so das Verhalten der Schalen zufrieden stellend berechnen. Da der Effekt prinzipiell in allen supraleitenden Materialien auftritt, gehen die Forscher davon aus, dass sich die Sprungtemperaturen vieler bekannter Supraleiter durch Nanostrukturierung gezielt erhöhen lassen. (lf)