Widerstand ist (bald) zwecklos

Hochtemperatur-Supraleiter sind seit 15 Jahren bekannt und haben bereits zu einer Vielzahl von Anwendungen geführt. Trotzdem ist dieses Phänomen weitgehend ungeklärt. Forscher des Max-Planck-Instituts bringen jetzt ein wenig Licht ins Dunkel.

Normale Metalle wie Kupfer heizen sich auf, wenn durch sie ein elektrischer Strom fließt. Deshalb ist der Transport von Elektrizität stets mit Verlusten verbunden. Um diese in Grenzen zu halten, sind technische Großanlagen wie z. B. Hochspannungsleitungen erforderlich. Einige Metalle werden jedoch unterhalb der so genannten Übergangs- oder Sprungtemperatur zu Supraleitern, d. h. sie leiten elektrischen Strom ohne jeglichen Verlust. Doch leider liegt die Sprungtemperatur bei herkömmlichen Supraleitern nur einige Grad über dem absoluten Nullpunkt (-273 °C). Da die Abkühlung auf diese Temperatur mit erheblichem Aufwand verbunden ist, findet man herkömmliche Supraleiter nur in wenigen technischen Anwendungen. 1986 entdeckten J.G. Bednorz und K.A. Müller Supraleitung in einer Klasse von Kupferoxiden, deren maximale Sprungtemperatur bei Normaldruck immerhin schon 134 K (-139 °C) beträgt.
Allgemeines zur Supraleitung
Der bestehenden Theorie zur Supraleitung zufolge bilden je zwei freie Elektronen eines Metalls unterhalb der Sprungtemperatur so genannte “Cooper-Paare”. Jedes Cooper-Paar lässt sich in der Quantenmechanik als neues Teilchen, als “Boson”, beschreiben. Seit den Arbeiten von Einstein und Bose zu Beginn des 20. Jahrhunderts weiß man, dass ein System von Bosonen bei tiefen Temperaturen in einen makroskopisch kohärenten Zustand übergeht, dessen quantenmechanische Wellenfunktion sich über das gesamte System erstreckt. Im kondensierten Zustand kann sich daher jedes Boson ohne Widerstand vom einem zum anderen Ende eines Materials bewegen.
Der Supraleitung liegt ein ähnliches Prinzip zugrunde ? mit einem Unterschied: Die aus zwei Elektronen bestehenden bosonischen Cooper-Paare sind elektrisch geladen und können daher den elektrischen Strom völlig ungehindert durch das gesamte Material transportieren. Da die beiden Elektronen eines Cooper-Paars negativ geladen sind, stoßen sie sich elektrisch ab. Deshalb wird für die Bildung der Cooper-Paare eine der elektrischen Abstoßung entgegenwirkende, anziehende Kraft gebraucht. In herkömmlichen Supraleitern beruht diese Kraft auf den koordinierten Bewegungen der positiv geladenen Atomkerne, den “Phononen”. Diese mildern die elektrische Abstoßung der Elektronen bzw. heben sie sogar auf. Die Stärke der durch Phononen vermittelten Paarbildungskraft reicht allerdings nur für die Supraleitung bei sehr niedrigen Temperaturen, wie sie in herkömmlichen Metallen beobachtet wird.
Experimente mit Neutronenstrahlen
Für die Bildung von Cooper-Paaren in Hochtemperatur-Supraleitern bedarf es einer stärkeren Kraft, deren Ursprung auch umstritten ist. Auf der Suche danach untersuchten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung den Hochtemperatur-Supraleiter Tl2Ba2CuO6 mit Neutronenstrahlen. Die Neutronenstreuung ist eine Technik, die analog zur Streuung von Licht funktioniert. Doch anders als Licht dringen Neutronen tief ins Innere eines Materials vor, so dass Informationen nicht nur über die Oberfläche, sondern auch über das Gesamtvolumen verfügbar werden. Neutronen haben einen Eigendrehimpuls, den so genannten “Spin”, und damit ein magnetisches Moment. Sie verhalten sich deshalb wie winzige Stabmagnete. Das selbe gilt für die Elektronen innerhalb eines Festkörpers ? auch sie besitzen einen Spin. Werden zwei Stabmagnete nebeneinander gehalten, stoßen sie sich ab oder ziehen sich an, je nachdem wie sie zueinander orientiert sind. Dasselbe passiert mit den Neutronen und Elektronen innerhalb eines Festkörpers: Durch ihre Wechselwirkung kehrt sich der Neutronenspin um und der einfallende Neutronenstrahl wird entsprechend abgelenkt, was gemessen und ausgewertet werden kann. Bisher jedoch wurden Neutronenstreu-Experimente mit Hochtemperatur-Supraleitern dadurch erschwert, dass die dafür benötigten großen Einkristalle nur äußerst schwer zu erzeugen waren. Die Forscher umgingen das Problem mit einem Trick: Sie packten mehrere hundert winzige Kristalle des Materials in eine Art “Mosaik”, das als Ganzes einem großen Einkristall nahezu äquivalent ist und damit Neutronenstreu-Experimente an Tl2Ba2CuO6 möglich machte.
Bei diesen Experimenten hat das Forscherteam einen magnetischen Mechanismus zur Bildung von Cooper-Paaren gefunden. Schon frühzeitig hatten andere Forschergruppen bei der Untersuchung von bestimmten Kupferoxid-Materialien mit magnetischer Neutronenstreuung Hinweise darauf entdeckt, dass sich der Spin der Elektronen in Hochtemperatur-Supraleitern grundsätzlich anders verhält als in herkömmlichen Supraleitern. Während sie in konventionellen Supraleitern völlig ungeordnet sind, weisen die Spins in Hochtemperatur-Supraleitern eine ungewöhnliche magnetische Ordnung auf: Der Spin jedes zweiten Elektrons ist ? bei einer Momentaufnahme ? genau in die andere Richtung orientiert wie der erste. Doch anders als in Materialien wie z. B. magnetisiertem Eisen, wo alle Elektronenspins dauerhaft in eine Richtung zeigen, fluktuiert dieses magnetische Ordnungsmuster in den Hochtemperatur-Supraleitern, d. h. es entsteht und vergeht über kurze Zeitspannen. Die aus dem Kristall-Mosaik gewonnenen Daten lassen es plausibel erscheinen, dass sich die Cooper-Paare in diesem Hochtemperatur-Supraleiter über einen magnetischen Mechanismus bilden. Dieser könnte darauf beruhen, dass sich Elektronenpaare einfacher durch einen Hintergrund fluktuierender Elektronenspins bewegen können als einzelne freie Elektronen ? sie würden auf diese Weise magnetische Energie sparen. Diese Erklärung ist allerdings nur dann überzeugend, wenn eine fluktuierende magnetische Ordnung tatsächlich in allen Hochtemperatur-Supraleitern nachgewiesen werden kann.

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