Julius-Maximilians-Universität Würzburg: Wann finden Physiker den ersten
Supraleiter, der seine verblüffenden Eigenschaften bereits bei Zimmertemperatur
zeigt? Noch scheint der Weg dahin weit zu sein. Eine Entdeckung, an
der Forscher der Universität Würzburg beteiligt
waren, zeigt jetzt immerhin die Richtung
deutlich an.
Die so genannte „Supraleitung“
gehört innerhalb der Physik zu den Forschungsgebieten, auf die sich
schon seit etlichen Jahrzehnten große Hoffnungen richten. Der Effekt,
dass bestimmte Materialien bei niedrigen Temperaturen Strom verlustfrei
– das heißt: ohne Widerstand – transportieren können, macht diese
für viele Anwendungen äußerst reizvoll: als unvorstellbar schnelle
Computerchips, als Magnet in der Schwebebahn, als Speicher in der Stromproduktion,
als verlustfreie Stromnetze.
Noch tritt Supraleitung erst bei vergleichsweise
niedrigen Temperaturen auf: Minus 120 Grad Celsius ist der zurzeit höchste
Wert, bei dem ein Stoff zum Supraleiter wird. Physiker erhoffen sich
mehr: „Unser Traum ist es, ein Material zu finden, das bereits bei
Zimmertemperatur die gewünschten Eigenschaften zeigt“, sagt Werner
Hanke.
Der Zufall hat die Suche bestimmt
Hanke war bis vor Kurzem Inhaber des
Lehrstuhls für Theoretische Physik I und ist jetzt Senior-Professor
an der Universität Würzburg; sein Spezialgebiet ist die theoretische
Festkörperphysik. Im vergangenen Jahrzehnt hat er sich darauf konzentriert,
den Mechanismus aufzuklären, welcher der Hochtemperatur-Supraleitung
zugrunde liegt. Jetzt ist er dabei – gemeinsam mit Kollegen aus Deutschland
und den USA – einen bedeutenden Schritt weitergekommen. Die Fachzeitschrift
Nature Physics hat über dieses Ergebnis berichtet.
„Bisher war die Suche nach neuen
Supraleitern mehr vom Zufall bestimmt als von einem exakten Wissen“,
sagt Werner Hanke. Um unter den mehr als 100 bekannten chemischen Elementen
mit ihren schier unzähligen Kombinationsmöglichkeiten die meistversprechenden
zu identifizieren, sei aber ein Prinzip nötig. „Dieses Prinzip hat
uns bisher gefehlt. Jetzt wird es langsam sichtbar“, sagt der Physiker.
Zwei Klassen von Supraleitern existieren
Zwei Klassen von Supraleitern haben
Physiker bisher entdeckt: Die einen – schon seit etwa 100 Jahren bekannten
„Tieftemperatur-Supraleiter“ – leiten Strom erst bei Temperaturen
nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius ohne Widerstand.
Die anderen, erst vor 20 Jahren entdeckten „Hochtemperatur-Supraleiter“
– in der Regel Materialien mit Keramik-ähnlichen Eigenschaften –
schaffen dies bereits bei Werten um die minus 150 Grad Celsius. Der
Unterschied ist von Bedeutung: „Zur Kühlung auf extrem tiefe Temperaturen
benötigt man flüssiges Helium, das sehr teuer ist“, sagt Hanke.
Für die so genannten „Hochtemperatur-Supraleiter“ hingegen reicht
flüssiger Stickstoff – ein im Vergleich äußerst billiges Kühlmittel.
In beiden Fällen ist der verantwortliche
Effekt jedoch der gleiche: Elektronen schließen sich zu Paaren zusammen
und werden so in die Lage versetzt, widerstandslos ihre Reise durch
den Leiter anzutreten. „Es ist, als würden alle Autos auf der Autobahn
zu einem Zug gekoppelt. Weil alle mit derselben Geschwindigkeit fahren,
gibt es keinen Stau, und sie kommen schnell zum Ziel“, erklärt Hanke.
Dazu müssen sich allerdings die Elektronen, die sich normalerweise
wegen ihrer gleichen Ladung abstoßen, paarweise binden. Wie diese Paarung
genau vonstatten geht, verstehen die Wissenschaftler in den Tieftemperatur-Supraleitern
seit etwa 50 Jahren. In den Hochtemperatur-Leitern war der „Klebstoff“,
der die Elektronen zu Paaren formt, nicht bekannt. Genau hier setzt
die Nature-Arbeit ein:
Elektronen wandern wie Kugeln auf
einer Matratze
In einem gewöhnlichen Leiter wandern
Elektronen durch das Kristallgitter, wenn eine Spannung angelegt wird,
und bauen dadurch den Strom auf. Dabei prallen sie immer wieder auf
die sehr viel größeren Ionen, werden abgelenkt und verlieren Energie.
Das ist der Effekt, der sich hinter dem Begriff „Widerstand“ verbirgt
und der zu dem beträchtlichen Verlust zum Beispiel in Stromnetzen führt.
Im Supraleiter sieht das anders aus: Dort bilden die Elektronen Paare,
die sich sozusagen gegenseitig den Weg weisen. Ähnlich wie schwere
Kugeln auf einer Matratze Mulden verursachen, verformen die Elektronen
im Fall der Tieftemperatur-Supraleiter das regelmäßige Kristallgitter,
das von den Ionen aufgebaut wird, oder, genauer gesagt: das Kraftfeld
zwischen den Ionen, das entsteht, weil die negativen Elektronen die
positiven Ionen anziehen. In die Vertiefung, die das eine Teilchen hinterlässt,
fällt das zweite quasi automatisch hinein.
Magnetische Kräfte sind im Hochtemperatur-Supraleiter
am Werk
Wie das Forscherteam in dem Nature-Artikel
jetzt zeigen konnte, sind in den Hochtemperatur-Supraleitern ganz andere
Kräfte, nämlich magnetische Kräfte für das Verschwinden des Widerstands
verantwortlich. Diese magnetischen Kräfte beruhen auf dem so genannten
Spin, also der Richtung, in der sich diese Teilchen um ihre eigene Achse
drehen.
Solch einen Spin, den man sich wie
einen winzig kleinen Magneten mit Nord- und Südpol vorstellen kann,
besitzen auch die Ionen, die im Kristallgitter des Supraleiters an den
Kreuzungspunkten sitzen. Ist die Richtung der Spins, beziehungsweise
der kleinen Magneten, jeweils die gleiche, hält man einen Ferro-Magneten
in der Hand; wechselt die Richtung von Ion zu Ion, ist das Material
antiferromagnetisch – wie im Falle der Hochtemperatur-Supraleiter.
Zwei Leerstellen im Gitter bringen
die Elektronenpaare in Schwung
Wie ein Schachbrett sehen demnach die
einzelnen Ebenen aus, aus denen diese supraleitenden Kristalle bestehen:
Die unterschiedlichen Richtungen der Magnete stehen dann für die weißen
und schwarzen Felder. Bringen die Physiker in das normalerweise sehr
regelmäßige magnetische Gitter dieser Materialien nun vereinzelt Atome
anderer Elemente hinein, verändert das die schöne Ordnung geringfügig.
In dem Supraleiter sind dann einzelne Plätze in diesem magnetischen
Gitter unbesetzt, so dass benachbarte Elektronen mit ihrem Spin auf
die freien Stellen springen können. „Das kostet allerdings viel Energie
und ist für den Widerstand verantwortlich, denn die resultierende Anordnung,
bei der Elektronen mit gleicher Magnet-Ausrichtung direkt nebeneinander
liegen, ist energetisch ungünstig“, sagt Hanke.
Das ändert sich jedoch schlagartig,
wenn zwei Leerstellen nahe beieinander liegen und die auf diese Leerstellen
springenden Elektronen sich „paaren“: Störungen im Schachbrettmuster,
also im magnetischen Gitter, die das erste Elektron hervorruft, werden
dann von dem zweiten Elektron wieder rückgängig gemacht. Die Folge
daraus: Zwei benachbarte Lücken – und somit auch die in sie hinein
springenden Elektronen, die sich zu einem Paar formieren – können
ohne eine Störung im magnetischen Schachbrett-Gitter zu hinterlassen
beispielsweise nach rechts verschoben werden und auf diese Weise ohne
Widerstand Ladung transportieren. Wenn sich schließlich sehr, sehr
viele solcher sogenannter „Cooper-Paare“ zusammentun und mit gleicher
Geschwindigkeit bewegen, dann entsteht der Supraleiter mit seinen faszinierenden
Eigenschaften.
Nur die größten Rechner bringen
die erforderliche Leistung
Was sich in der Erklärung vergleichsweise
einfach anhört, ist in der Überprüfung extrem aufwändig und bedarf
der Unterstützung seitens der leistungsfähigsten Großrechner, die
zurzeit auf dem Markt sind. „Schließlich geht es in diesem Fall nicht
um einzelne Elektronenpaare“, sagt Werner Hanke. „Hier treten 1023
und mehr Teilchen miteinander in Wechselwirkung.“
Bei der Simulation auf den größten
Computern der Welt konnte Hanke gemeinsam mit Physikern der University
of California und mit Kollegen vom Max-Planck-Institut in Stuttgart
und in Dresden zeigen, dass tatsächlich die Spins der Elektronen für
den „Klebstoff“ sorgen, der sie zu Paaren bindet.
Nichts spricht gegen Supraleitung
bei Zimmertemperatur
Was Hanke besonders freut, ist die
Tatsache, dass die Physik nun über eine Formel verfügt, mit der sie
zumindest annäherungsweise für bestimmte Stoffkombinationen die Temperatur
berechnen kann, bei der aus einem regulären Leiter ein Supraleiter
wird. Und vielleicht lässt sich damit ja auch der umgekehrte Weg gehen:
Mit der Wunschtemperatur nach einer geeigneten Molekülkombination suchen.
Werner Hanke ist jedenfalls optimistisch,
dass es nur noch eine Frage der Zeit ist, bis Physiker den ersten Supraleiter
in der Hand halten, der bereits in der Nähe von Zimmertemperatur Strom
ohne Widerstand leitet. Schließlich gebe es keinerlei Hinweis darauf,
dass dieser Effekt, aus welchen Gründen auch immer, bei einer bestimmten
Temperatur endet.
„Strength of the spin-fluctuation-mediated
pairing interaction in a high-temperature superconductor“.
T. Dahm, V. Hinkov, S. V. Borisenko, A. A. Kordyuk, V. B. Zabolotnyy,
J. Fink, B. Büchner, D. J. Scalapino, W. Hanke and B. Keimer. Nature
Physics: doi: 10.1038/NPHYS1180
Pressemitteilung der Julius-Maximilians-Universität Würzburg