Neue Materialien für Supraleitung bei hohen Temperaturen

MIT-Forschung erklärt Phasenübergang neu. Was in der Physik als "Hochtemperatur-Supraleiter" (HTSL) bezeichnet wird, braucht immer noch eine Kälte von unter minus 173 Grad Celsius. Solche Temperaturen lassen sich jedoch schon in kommerziellen Anwendungen erzeugen – warum ein HTSL dabei aber funktioniert, ist noch weitgehend unbekannt. Wissenschaftler des MIT haben nun per Experiment eine neue Theorie dafür aufgestellt, die auch bisher unbeachtete Materialien einschließt.

13. Februar 2008 um 12:48 Uhr / Nico Ernst

Während die klassischen Supraleiter ihren Widerstand gegen den Fluss von Elektronen erst nahe 0 Kelvin und damit unter minus 270 Grad Celsius aufgeben, sind HTSLs auch für technische Anwendungen interessant. Die dafür nötigen Temperaturen unter minus 173 Grad Celsius lassen sich mit flüssigen Gasen wie Stickstoff oder Helium erzeugen. HTSLs finden daher gerade Einzug in Geräte wie Kernspintomographen.

Warum aber die erst in den 1980er-Jahren entdeckten HTSLs, die meist aus Keramik bestehen, ihren supraleitenden Effekt 100 Grad über den klassischen Supraleitern entwickeln, die schon seit Anfang des 20. Jahrhunderts bekannt sind, ist noch kaum erforscht. Erst wenn die Gründe für den Temperaturunterschied bekannt sind, sind Fortschritte auf dem Weg zum Supraleiter bei Raumtemperatur zu erwarten. Dies käme einer Revolution der Physik gleich, weil unter anderem der elektrische Widerstand einer Schaltung dann keine Rolle mehr spielen würde.

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Wissenschaftler des "Massachusetts Institute of Technology" (MIT) haben sich daher die Materialeigenschaften bereits bekannter HTSLs näher angesehen. Dabei wählten sie Temperaturen, die nur wenig wärmer sind als der Punkt, an dem die Supraleitung auftritt. Bei diesen Temperaturen treten bereits die ersten quantenmechanischen Effekte auf, die schließlich dazu führen, dass sich alle Elektronen des Materials auf denselben Energieniveaus befinden. Sie sitzen alle auf denselben Bahnen. Dort ordnen sie sich vereinzelt aber schon vor der Supraleitung an, was auch als Energielücke bezeichnet wird.

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Diesen Lücken schenkte man bisher wenig Beachtung, sie können aber auch bei Supraleitung auftreten – das ließ sich bisher schon durch Verunreinigung des HTSLs nachweisen, was das MIT jetzt nachvollzogen hat, zum Einsatz kamen dafür Blei-Atome. Einzelne Elektronen können so bereits über der Supraleiter-Temperatur das Energieniveau erreichen, auf dem sich für den vollen Effekt alle befinden müssen.

Damit ließe sich theoretisch die Temperatur weiter erhöhen. Das MIT hat nun nachgewiesen, dass das Verhalten der Elektronen direkt von den Verunreinigungen abhängt. Die Pseudo-Supraleitung und die echte Supraleitung basieren auf denselben Effekten. Bisher waren die Geschehnisse knapp über der Supraleitungstemperatur als Anomalien betrachtet worden.

Mit den Ergebnissen des MIT, welche Forscher unter Leitung von Professor Eric Hudson in der Februar-Ausgabe des Magazins "Nature Physics" veröffentlichen, kann nun gezielt nach Materialien gesucht werden, welche die für Supraleitung nötige Temperatur vielleicht weiter in Richtung der Raumtemperatur schieben. Diese wird in der Wissenschaft als 20 Grad Celsius festgelegt – bis dahin ist es also noch ein sehr langer Weg.