Wenn Strom durch einen Kupferdraht fließt, erwärmt sich der Draht leicht; diese Wärme entsteht dadurch, dass Elektronen beim Bewegen durch das Material Energie verlieren – das nennt man elektrischen Widerstand. Manche Materialien jedoch verlieren, sobald sie unter eine bestimmte Temperatur abgekühlt werden, ihren Widerstand bis unter jeden messbaren Wert und sinken in der Praxis auf exakt null. Dieser Zustand heißt Supraleitung, und ein einmal in einer supraleitenden Schleife gestarteter Strom kann jahrelang ohne äußere Energiequelle weiterfließen. Dieser Artikel erklärt, woher dieses außergewöhnliche Verhalten kommt und warum es nur bei sehr tiefen Temperaturen auftritt.
Woher kommt der elektrische Widerstand?
In einem gewöhnlichen Leiter bewegen sich die stromtragenden Elektronen recht frei durch das von den Atomen gebildete Kristallgitter. Diese Bewegung ist jedoch nicht perfekt: Elektronen werden an Gitterschwingungen (thermischen Phononen), Fremdatomen und Defekten gestreut und verlieren dabei Richtung und Energie. Die verlorene Energie wird zu Wärme – das ist der Widerstand. Mit sinkender Temperatur nehmen die Gitterschwingungen ab, und der Widerstand der meisten Metalle sinkt mit ihnen, erreicht aber nie null; ein durch Defekte verursachter „Restwiderstand" bleibt immer. Supraleitung ist dagegen ein plötzliches Ereignis, das sich von diesem allmählichen Rückgang völlig unterscheidet.
1911: Der Widerstand von Quecksilber verschwindet schlagartig
Die Supraleitung wurde 1911 von dem niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes entdeckt. Onnes war der Erste, dem es gelang, Helium zu verflüssigen, wodurch er Materialien auf Temperaturen sehr nahe am absoluten Nullpunkt (−273,15 °C) abkühlen konnte. Als er festes Quecksilber auf etwa 4,2 Kelvin (−269 °C) abkühlte, stellte er fest, dass sein elektrischer Widerstand nicht allmählich abnahm, sondern in dem Moment, in dem eine Schwelle überschritten wurde, schlagartig auf einen unmessbar kleinen Wert fiel. Für diese Entdeckung und seine Arbeiten zur Tieftemperaturphysik erhielt Onnes 1913 den Nobelpreis für Physik. In den folgenden Jahren zeigte sich, dass auch andere Metalle wie Blei, Zinn und Niob unterhalb ihrer eigenen Sprungtemperatur dasselbe Verhalten zeigen.
Der Meißner-Ochsenfeld-Effekt: die zweite Signatur der Supraleitung
Lange Zeit wurde Supraleitung einfach als „null Widerstand" verstanden. 1933 fanden Walther Meißner und Robert Ochsenfeld bei Versuchen mit Zinn- und Bleiproben eine weit auffälligere Eigenschaft: Beim Übergang in den supraleitenden Zustand drängt ein Material das Magnetfeld aus seinem Inneren. Bei diesem als Meißner-Ochsenfeld-Effekt bezeichneten Phänomen erzeugt der Supraleiter mit dauerhaften Strömen an seiner Oberfläche ein Gegenfeld, das das angelegte Feld exakt aufhebt; das Ergebnis ist, dass sich das Material wie ein „perfekter Diamagnet" verhält. Das ist der entscheidende Punkt, der einen Supraleiter von einem bloß sehr guten Leiter unterscheidet: Ein perfekter Leiter würde ein bereits eingedrungenes Feld einschließen, während ein Supraleiter es aktiv hinausdrängt. Ein Magnet, der über einer supraleitenden Platte in der Luft schwebt, ist die bekannteste Demonstration dieses Effekts. Das Feld wird nicht vollständig auf null gebracht; es dringt von der Oberfläche über eine sehr dünne Schicht ein, die als Londonsche Eindringtiefe bekannt ist, und klingt dort exponentiell ab.
Cooper-Paare und die BCS-Theorie
Eine mikroskopische Erklärung der Supraleitung kam erst 1957 mit der von John Bardeen, Leon Cooper und John Robert Schrieffer entwickelten Theorie, die nach ihren Initialen BCS genannt wird (das Trio erhielt 1972 den Nobelpreis für Physik). Im Kern der Theorie steht eine überraschende Idee: Zwei Elektronen, die sich normalerweise abstoßen, können sich bei sehr tiefer Temperatur über das Kristallgitter schwach anziehen. Während das erste Elektron sich bewegt, zieht es die umgebenden positiven Ionen leicht zu sich und lässt hinter sich einen kurzzeitigen Bereich höherer positiver Ladungsdichte zurück; dieser Bereich zieht ein zweites Elektron an. Die langsame Reaktion der Ionen (Retardierung) lässt diese phononenvermittelte Anziehung die direkte Abstoßung zwischen den Elektronen überwiegen. Das so entstehende schwach gebundene Elektronenpaar heißt Cooper-Paar. Da sich Cooper-Paare als Ganzes wie Bosonen verhalten, kondensieren sie alle in denselben Quantenzustand und bilden eine einzige, kohärente „Supraflüssigkeit". Um diesen gemeinsamen Zustand aufzubrechen, muss eine bestimmte Energieschwelle (die Energielücke) überschritten werden; bei tiefer Temperatur können die Gitterschwingungen diese Schwelle nicht liefern, sodass die Paare ohne Streuung – also ohne Widerstand – fließen.
Supraleiter erster und zweiter Art
Supraleiter werden danach unterteilt, wie sie auf ein Magnetfeld reagieren. Supraleiter erster Art (die meisten reinen Metalle) drängen das Feld unterhalb eines bestimmten kritischen Feldes vollständig hinaus und verlieren oberhalb davon die Supraleitung auf einen Schlag. Supraleiter zweiter Art (Legierungen und keramische Verbindungen) bleiben zwischen zwei kritischen Feldwerten in einem „Mischzustand": Das Magnetfeld dringt als dünne Flussfäden (Wirbel) in das Material ein, während der umgebende Bereich supraleitend bleibt. Dadurch halten Materialien zweiter Art viel höheren Magnetfeldern stand, und sie sind der Typ, der zum Bau starker Magnete verwendet wird.
Hochtemperatursupraleiter und das Ziel Raumtemperatur
Jahrzehntelang funktionierte jeder bekannte Supraleiter nur unter 23 Kelvin, was teures flüssiges Helium erforderte. 1986 fanden Georg Bednorz und Alex Müller in Keramiken auf Kupferoxidbasis deutlich höhere Sprungtemperaturen (im Jahr darauf ein Nobelpreis). Die kurz danach entdeckte Verbindung Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) wurde bei 93 Kelvin supraleitend, was bedeutete, dass billiger und reichlich vorhandener flüssiger Stickstoff (77 K) als Kühlmittel verwendet werden konnte. Ob sich diese „Hochtemperatur"-Supraleiter vollständig mit dem BCS-Mechanismus erklären lassen, ist noch eine offene Forschungsfrage. In den letzten Jahren wurde gezeigt, dass Verbindungen wie Schwefel- und Lanthanhydride unter Drücken von Millionen Atmosphären nahe Raumtemperatur supraleiten; ein Supraleiter, der bei Raumtemperatur und normalem Druck arbeitet, wurde jedoch noch nicht erreicht.
Wo wird Supraleitung eingesetzt?
Null Widerstand und die Fähigkeit, starke Magnetfelder zu erzeugen, machen Supraleiter in bestimmten Technologien unverzichtbar. Die MRT-Geräte (Magnetresonanztomographie) in Krankenhäusern beziehen ihre starken, stabilen Felder aus supraleitenden Spulen. Der Große Hadronen-Speicherring am CERN nutzt Tausende auf 1,9 Kelvin gekühlte Niob-Titan-Magnete, um seine Teilchen zu lenken. Magnetisch schwebende (Maglev-)Züge fahren dank supraleitender Magnete, ohne die Schiene zu berühren. Auch verlustfreie Stromkabel, extrem empfindliche Magnetfeldsensoren (SQUIDs) und die Qubits von Quantencomputern auf Basis von Josephson-Kontakten nutzen dieses Phänomen.