Supraleitung

Supraleitung

Was ist Supraleitung?
Der Effekt, daß Metalle, Metallegierungen und oxidische Verbindungen von Kupfer mit anderen Metallen (Keramiken) unterhalb einer für sie charakteristischen, sehr tiefen Temperatur keinen meßbaren elektrischen Widerstand mehr besitzen.

Wer hat die Supraleitung entdeckt?
Heike Kamerlingh-Onnes (1853-1926), ein niederländischer Physiker, entdeckte 1911 beim Experimentieren mit Quecksilber, daß der elektrische Widerstand von Quecksilber bei Temperaturen unter 4,15 Kelvin unmeßbar war. Diesen Effekt, den er auch bei anderen Metallen fand, nannte er Supraleitung.

Wie funktioniert Supraleitung?

Metalle werden bei minus 250 Grad Celsius und kälter supraleitend, Keramiken als sogenannte Hochtemperatur-Supraleiter schon bei Temperaturen zwischen minus 200 und minus 150 Grad Celsius. Die Temperatur bei der der elektrische Widerstand verschwindet heißt Sprungtemperatur. Wie klein der elektrische Widerstand im Supraleiter ist kann nicht gemessen werden. Man vermutet aber, daß der Widerstand R weniger als 10^-18 Ohm betragen muß. Deshalb kann der Strom in einem ringförmigen Supraleiter tage- und monatelang fließen, ohne an Stromstärke zu verlieren.

Erklärung der Supraleitung:

Zum Verständnis der Supraleitung ist es erforderlich, Leitungsvorgänge in normalen Metallen zu betrachten. Legt man an einen Draht eine Spannung an, so setzen sich Elektronen in Bewegung, ein Strom fließt. Der Widerstand des Drahtes kommt durch Streuung der Elektronen an Störstellen ( Fremsatome oder Deffekte der Kristallstruktur) im Metall zustande. Ein weiteres 'Hindernis' für die Elektronen sind die Schwingungen der Atomkerne ( Phononen ). Die Wechselwirkung zwischen dem Elektron und den Schwingungen der Atomkerne ( Phononen-Wechselwirkung ) ist eine der fundamentalen Ursachen für den elektrischen Widerstand bei höheren Temperaturen. Diese Wechselwirkung kann aber andererseits zu einem qualitativ anderen Zustand der Elektronen führen. Dabei arrangieren sich die Elektronen mit dem schwingenden Kristallgitter so, daß sie nicht gestreut werden. Die elektrostatische Abstoßung zwischen bestimmten Elektronenpaaren wird überwunden und sie ziehen sich gegenseitig an, es werden sogenannte supraleitende Cooper-Paare gebildet. Der Übergang von einem normalen Leiter zum Supraleiter stellt einen Phasenübergang dar, einen neuen Kristallzustand. Das Besondere an der Supraleitung ist nun, daß es sich dabei um ein makroskopisches Phänomen handelt. Alle Cooper-Paare sind Teil desselben quantenmeschanischen Zustands, sie sind voneinander abhängig. Wird eine Spannung angelegt, so bewegen sich alle Cooper-Paare in gleicher Weise. Würde ein Cooper-Paar gestreut, so würden auch alle anderen gestreut werden. Somit fließt der Strom aus Cooper-Paaren ohne Widerstand. Wird die Bindungsenergie der Cooper-Paare durch Energieerhöhung überschritten, so stellt sich wider der normalleitende Zustand ein. Dies kann z.B. durch ein starkes Magnetfeld oder durch Überschreiten der maximalen Stromdichte geschehen.

Wie wird gekühlt?
Bei Temperaturen unter minus 196 Grad Celsius wird mit flüssigem Helium gekühlt, oberhalb davon kann preiswerter und reichlich verfügbarer flüssiger Stickstoff eingesetzt werden.

Was sind Hochtemperatursupraleiter?

Entscheidend für die weitere Entwicklung der Hochtemperatursupraleiter war, daß sich die Eigenschaften dieser neuen Verbindungen durch eine Vielzahl von Parametern beeinflussen ließen. Dies legte die Möglichkeit von von höheren Tc-Werten nahe, die in der Folgezeit rasch erreicht wurden. Eine sehr viel höhere Srungtemperatur wurde mit dieser Verbindung bei Experimenten unter Druck erreicht. Bei der Suche nach neuen Hochtemperatursupraleitern versuchte man deshalb durch geschickte Substitution den Druck als 'chemischen Druck' in die Strukturen einzubauen.Die dadurch bewirkten Anderungen der Ladungsverteilung und der interatomaren Abstände sollten sich ebenfalls günstig auf die Supraleitung auswirken. So wurde mit Yttrium-Barium-Kupferoxid der erste Hochtemperatursupraleiter entdeckt, dessen Tc mit 93 K deutlich über der Temperatur des flüssigen Stickstoffs liegt. Ersetzt man die Kupferionen in den Ketten von Yttrium-Barium-Kupferoxid durch Quecksilber, so erhält man ein Tc von 134k, welches sich unter äußerem Druck sogar auf 164K erhöhen läßt.

Wo kann die Supraleitung zum Einsatz kommen?
Einsatzbereiche sind die Bereiche 'Elektronik' und 'Telekommunikation', die Medizintechnik, zum Beispiel in Kernspintomographen zur bildgebenden Untersuchung des Körpers sowie die Energietechnik, etwa bei Schaltelementen, Sicherungen, Kabeln, Generatoren, Transformatoren und Energiespeichern. Konventionelle Supraleiter (Kühlmittel: flüssiges Helium), haben nach langer Entwicklungszeit verschiedene Anwendungen gefunden. Sehr wichtig sind sie zur Erzeugung hoher statische Magnetfelder ( Kernspintomographen). Auch als hochempfindliche Detektoren in der Radioastronomie oder beim Nachweis sehr schwacher Magnetfelder ( Gehirnströme ) werden sie eingesetzt. Von den Hochtemperatursupraleitern wird erwartet, daß sie ähnliche Anwendungen ermöglichen, wobei der Vorteil darin liegt, daß man hier mit flüssigem Stickstoff ( 77K ) arbeiten kann. Dieser ist leichter zu handhaben als flüssiges Helim ( 4K ).Es erfordert allerdings große Anstrengungen der Materialwissenschaften, um solche Verbindungen herzustellen.