Supraleiter
Ein keramischer Hochtemperatursupraleiter schwebt
auf einem Magnetstreifen - vergrößern
Supraleiter sind Materialen, die beim Unterschreiten einer bestimmten Temperatur, in einem abrupten Sprung ihren elektrischen Widerstand verlieren. Diese Sprungtemperatur ist von Supraleiter zu Supraleiter verschieden. Aufgrund ihres verschwindenden Widerstandes kann sich im Inneren eines Supraleiters kein elektrisches Feld ausbilden. Ein von außen angelegtes Magnetfeld würde sofort einen Kreisstrom induzieren, der im Inneren des Supraleiters ein entgegengesetztes Magnetfeld aufbaut. Dieses hebt das äußere Magnetfeld auf.
Supraleitung ist auch immer mit der Verdrängung eines Magnetfeldes aus dem Inneren des Supraleiters bei Abkühlung unter die (magnetfeldabängige) Sprungtemperatur verbunden (Meißner-Effekt). Im Extremfall ist dieser Effekt so stark, dass eine kleine supraleitende Probe über einem Magnetfeld zu schweben vermag.
Einteilung
Supraleiter werden in zwei Typen eingeteilt:
- Typ-I-Supraleiter: Sie verdrängen magnetische Feldlinien total aus ihrem Inneren. Die meisten metallischen Elemente sind vom Typ I und haben meist eine sehr niedrige Sprungtemperatur im Bereich weniger Kelvin. Beispiele sind Niob, Blei und Aluminium.
- Typ-II-Supraleiter: In ihrem Inneren befinden sich normalleitende Bereiche, die so genannten Flussschläuche, durch die magnetische Feldlinien durch den Supraleiter laufen. Der magnetische Fluss in diesen Flussschläuchen beträgt immer ein ganzzahliges Vielfaches des magnetischen Flussquants. Ein Beispiel für Typ-II Supraleiter sind die so genannten Hochtemperatursupraleiter, deren kompliziertes Kristallgitter durch Kupferoxid-Ebenen bestimmt ist. Zwei wichtige Gruppen sind YBCO (Yttrium-Barium-Kupferoxide) und BSCCO (Wismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxide).
Konventionelle Supraleitung
Bei Temperaturen nahe des absoluten Temperaturnullpunkts tritt bei fast allen Metallen und auch vielen anderen Materialen Supraleitung auf.
Diese so genannte klassische Supraleitung wird durch eine Paarbildung von Elektronen (Cooper-Paare) im Supraleiter erzeugt. Bei der normalen elektrischen Leitung entsteht der elektrische Widerstand durch Wechselwirkungen der Elektronen mit Gitterfehlern des Kristallgitters und Gitterschwingungen. Durch die Kopplung der Elektronen im Supraleiter zu Cooper-Paaren wird die Energieabgabe an das Kristallgitter unterdrückt und so der widerstandslose elektrische Stromfluss ermöglicht.
Die vollständige Theorie zur Beschreibung der klassischen Supraleitung beruht auf quantenphysikalischen Effekten (siehe BCS-Theorie). Die beiden einzelnen Elektronen sind Fermionen, die sich zu einem bosonischen Paar zusammenschließen, und dabei einen makroskopischen Quantenzustand einnehmen (vgl. auch Superfluidität).
Hochtemperatursupraleitung
Die Hochtemperatursupraleitung ist ein relativ neues Forschungsgebiet. Keramische Materialien spezieller Zusammensetzung zeigen Supraleitung schon bei relativ hohen Temperaturen (bis zu 143 K = -130 °C).
Bisher ist die Ursache der hohen Sprungtemperaturen nicht bekannt. Nach dem bisherigen Stand der Theorie erscheint jedoch Supraleitung bei Zimmertemperatur (20 °C) kaum möglich zu sein.
Jedoch ist es möglich, diese Supraleiter mit flüssigem Stickstoff relativ billig in die supraleitende Phase zu bringen, da die Siedetemperatur von Stickstoff mit 77 Kelvin (-196 Grad Celsius) unterhalb ihrer Sprungtemperatur liegt.
Anwendungen
Aus supraleitenden Spulen hergestellte Elektromagnete werden genutzt, um hohe Magnetfeldstärken herzustellen. Die wird z.B. bei Teilchenbeschleunigern angewendet, die eine Kreisbahn als Beschleunigerweg haben und daher starke Magnetfelder brauchen, um die beschleunigten Teilchen auf dieser Bahn zu halten.
Die Supraleitung wird weiterhin in der Messtechnik zur Messung extrem kleiner Magnetfelder einsetzt (siehe auch SQUID_(Physik), Josephson-Effekt).
Geschichte
Bevor Experimente bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts durchgeführt werden konnten, gab es verschiedene Theorien, wie sich der elektrische Widerstand in diesem Temperaturbereich verhalten würde, so z.B. dass der Widerstand stark ansteigen würde oder dass er ein bestimmtes Niveau nicht unterschreiten würde.
Der Effekt der Supraleitung wurde erstmals 1911 vom Niederländer Heike Kamerlingh Onnes entdeckt. Er beobachtete, dass Quecksilber unterhalb von 4,19 Kelvin sprungartig seinen elektrischen Widerstand verlor. Obwohl die Quantenmechanik damals noch neu war, postulierte er bereits, dass die Supraleitfähigkeit nur quantenmechanisch erklärt werden könnte.