1.

Einleitung

Supraleitfähigkeit, auch Superleitung oder Superleitfähigkeit, physikalische Eigenschaft bestimmter Materialien, wie etwa Metalle, Legierungen oder Keramiken, die dem Fluss eines elektrischen Stromes keinen elektrischen Widerstand entgegenstellen.

Supraleitfähigkeit tritt erst unterhalb einer bestimmten Sprungtemperatur, der so genannten kritischen Temperatur T_c, auf und ist außerdem abhängig von äußeren Magnetfeldern. Jüngsten Erkenntnissen zufolge sind supraleitende Eigenschaften nicht nur von der Temperatur sondern auch von der Materialdicke abhängig (siehe unten: Forschungsergebnisse jüngerer Zeit). Außerdem lassen sich die supraleitenden Eigenschaften wesentlich erhöhen, wenn der Supraleiter als feinst gemahlenes Pulver vorliegt.

Supraleiter der 1. Art oder auch Typ-1-Supraleiter weisen im supraleitenden Zustand und unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes in ihrem Inneren keine Magnetfelder auf, d. h., in diesem Zustand wird das äußere Magnetfeld aus dem Materialinneren verdrängt (so genannter Meißner-Ochsenfeld-Effekt). Der Zustand bleibt bis zu einer bestimmten temperaturabhängigen Magnetfeldstärke erhalten und geht oberhalb der so genannten kritischen Magnetfeldstärke H_c verloren.

Supraleiter der 2. Art (Typ-2) weisen neben der Besonderheit, die die Typ-1-Leiter auszeichnet, eine weitere auf. Sie enthalten im supraleitenden Zustand auch normal leitende Phasen, in die ein äußeres Magnetfeld eindringen kann, ohne die Supraleitung aufzuheben. Durch diesen Effekt liegen die kritischen Magnetfeldstärken für Typ-2-Supraleiter wesentlich höher.

Bei den ersten Supraleitern der Geschichte – z. B. der intermetallischen Niob-Germanium-Verbindung Nb₃Ge – erreichte man kritische Temperaturen von T_c 23,2 K (Kelvin; -249,95 °C). Um derart tiefe Temperaturen zu erhalten, kam flüssiges Helium als Kühlmittel zum Einsatz (siehe Tiefsttemperaturtechnik). Ein 1988 hergestelltes Thallium-Barium-Calcium-Kupferoxid zeigte supraleitende Eigenschaften schon bei einer Sprungtemperatur T_c von 125 K (-148 °C). Die bislang höchste Sprungtemperatur liegt derzeit bei 164 Kelvin (-109 °C).

2.

Geschichte

Supraleitung wurde erstmals 1911 entdeckt. Der holländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes untersuchte das Verhalten von Materie bei tiefsten Temperaturen (1913 Nobelpreis) und stellte fest, dass in Quecksilber unterhalb 4,2 Kelvin (-269 °C) der elektrische Widerstand verschwindet. Das Phänomen wurde aber erst ansatzweise verstanden, als die deutschen Physiker Karl W. Meißner und R. Ochsenfeld 1933 das magnetische Verhalten eines Supraleiters näher untersuchten (siehe oben: Meißner-Ochsenfeld-Effekt). Schließlich veröffentlichten die amerikanischen Physiker John Bardeen, Leon N. Cooper und John R. Schrieffer 1957 ihre BCS-Theorie zur Supraleitung (1972 Nobelpreis).

Die BCS-Theorie beschreibt Supraleitung als Quanteneffekt, der sich mit Mitteln der statistischen Mechanik darstellen lässt: Bei Zimmertemperatur sind Elektronen, die als Fermionen den Spin 1/2 haben, gemäß der Fermi-Dirac-Statistik auf die tiefsten möglichen Energiezustände verteilt. Bei sehr tiefen Temperaturen ordnen sie sich paarweise an und bilden so genannte Cooper-Elektronenpaare mit Gesamtspin Null. Weil diese Cooper-Paare Spin Null haben, verhalten sie sich wie Bosonen und kondensieren alle in denselben Grundzustand (siehe Bose-Einstein-Kondensat). Ein sehr großer Energieabstand von diesem Grundzustand zum ersten angeregten Niveau gewährleistet, dass sämtliche Ströme „eingefroren” werden. Dadurch kann ein elektrischer Strom praktisch ohne Widerstand fließen.

1962 untersuchte der britische Physiker Brian Josephson die Quantennatur der Supraleitung und erklärte die Existenz von Schwingungen im elektrischen Stromfluss in zwei Supraleitern, die voneinander durch eine dünne Isolierschicht getrennt sind und sich in einem magnetischen oder elektrischen Feld befinden. Der nach ihm benannte Josephson-Effekt wurde daraufhin experimentell nachgewiesen und bestätigt.

1986 fanden der deutsche Physiker Georg Bednorz und der schweizerische Physiker Alex Müller heraus, das bestimmte Keramiken, die Lanthanoide enthalten, bereits bei Temperaturen oberhalb von 30 Kelvin supraleitende Eigenschaften zeigen. So wird beispielsweise (Y_0,6Ba_0,4)₂CuO₄ bei T_c = 94 Kelvin (-179 °C) zum Supraleiter. Für ihre Leistungen erhielten Bednorz und Müller 1987 den Nobelpreis für Physik.

3.

Forschungsergebnisse jüngerer Zeit

Neben Keramiken mit exotischer Zusammensetzung zeigen auch einfachere Verbindungen, wie z. B. Magnesiumdiborid (MgB₂), supraleitende Eigenschaften. Im Magnesiumdiborid sind die Boratome in bienenwabenartigen Netzen angeordnet und alternierend zwischen Metallschichten eingebettet. Im supraleitenden Zustand treten die Cooper-Paare (siehe oben) mit den Kristallschwingungen in Wechselwirkung. Sowohl die besondere Struktur als auch diese Wechselwirkungen begünstigen den widerstandsfreien Stromfluss so stark, dass das Borid auch bei Temperaturen um 40 Kelvin noch supraleitend ist. Offenbar besitzt Magnesiumdiborid zwei Energielücken. So konnten Experten feststellen, dass das Diborid bei zwei Temperaturpunkten (bei 15 und bei 45 Kelvin) in den supraleitenden Zustand wechselt. 2002 gelang es verschiedenen Forscherteams, dünne Magnesiumboridfilme zu erzeugen, und Ende 2003 wurden dünne Magnesiumdiboriddrähte hoher Qualität hergestellt. Damit kam man der Entwicklung supraleitender Schaltkreise einen wichtigen Schritt näher.

1998 gelangen einem Forscherteam der Bell Laboratories die ersten mikroskopischen Aufnahmen eines Supraleiters beim Übergang vom normal leitenden in den supraleitenden Zustand. Im Frühjahr 2001 konnte ein anderes Team der Bell Laboratories das erste rein organische Polymer herstellen, das bei tiefen Temperaturen supraleitende Eigenschaften zeigt. Poly-3-hexylthiophen wird bei Temperaturen unterhalb von 2,35 Kelvin (unter -270 °C) zum Supraleiter.

Auch Fullerenkristalle vom Typ C₆₀, die Chloroform- oder Bromoformmoleküle (CHCl₃ bzw. CHBr₃) in ihrem Käfig einschließen, zeigen bei tiefen Temperaturen supraleitende Eigenschaften. Dies konnten Experten vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart, den Bell Laboratories sowie der ETH Zürich Anfang 2002 bei Versuchen feststellen. Die genaue Ursache für die relativ hohen Sprungtemperaturen zwischen 80 und 117 Kelvin ist bislang noch unklar und Gegenstand weiterer Experimente.

Einige herkömmliche Metalle werden erst unter extremen Bedingungen zum Supraleiter. So konnten Forscher beim Eisen supraleitende Eigenschaften nachweisen, nachdem sie das Probestück einem enormen Druck (über zehn Gigapascal) und einer Tiefsttemperatur (-271 °C) ausgesetzt hatten. Mit Hilfe elektrischer Felder lassen sich auch Nichtleiter in einen supraleitenden Zustand überführen.

Supraleitende Eigenschaften sind nicht nur von der Temperatur sondern auch von der Materialdicke abhängig. Bei einem supraleitenden Draht wird ab einer Drahtdicke von rund 30 Pikometer (millionstel Millimeter) Durchmesser der elektrische Widerstand trotz Kühlung unterhalb der Sprungtemperatur so stark, dass die Supraleitung zusammenbricht. Experten vermuten hier quantenmechanische Fluktuationen der Cooper-Paare, die zu Spannungsstößen im Leiter führen und so den elektrischen Widerstand wieder ansteigen lassen. Die Fluktuationen werden offenbar durch spontanes Tunneln der Elektronenpaare von einem Quantenzustand zum nächsten ausgelöst.

4.

Anwendungen

Weil sie keinen elektrischen Widerstand haben, werden Supraleiter zur Herstellung großer Elektromagnete benutzt, die zur Erzeugung starker Magnetfelder ohne Energieverluste benötigt werden. Supraleitende Magnete kommen bei Materialuntersuchungen und zum Bau sehr leistungsstarker Teilchenbeschleuniger zum Einsatz. Unter Ausnutzung der Quanteneffekte der Supraleitung konnten Geräte zur Messung von Strömen, Spannungen und Magnetfeldern mit zuvor unerreichter Empfindlichkeit entwickelt werden.

Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Mikroelektronik, z. B. zur Entwicklung sehr schneller und hochleistungsfähiger Computer. 1999 gelang einem Forschungsteam der Universität Genf die Entwicklung eines besonderen „Schaltsystems”, mit der sich die supraleitende Eigenschaft des Supraleiters GdBa₂Cu₃O₇ aus- und wieder anschalten lässt. Diese Entdeckung bietet praktisch einen Grundstein für einen Binärschalter aus supraleitendem Material und eröffnet die Möglichkeit, eine neue Generation von Computern zu entwickeln.

Siehe auch Hightech