Supraleitung: Gitterschwingungen wichtig für Hochtemperatur-Supraleiter
Das wärmebedingte Rütteln und Schütteln der Atome in einem Kristallgitter soll auch bei den so genannten Hochtemperatur-Supraleitern dazu beitragen, dass diese Substanzen bei Abkühlung unter einer vergleichsweise hohen Temperatur plötzlich jeglichen elektrischen Widerstand verlieren. Das berichtet die Arbeitsgruppe um Jinho Lee von der amerikanischen Cornell Universität in Ithaca im Bundesstaat New York, die einen typischen Vertreter dieser Art untersucht hat: Eine Keramik aus Wismut, Strontium, Kalzium, Kupfer und Sauerstoff.
Schon lange ist bekannt, dass so genannte Phononen – das sind quantenmechanische Beschreibungen von Gitterschwingungen in einem Festkörper – dafür verantwortlich sind, dass sich je zwei Elektronen zu so genannten Cooper-Paaren zusammenfinden. Diese Pärchen können dann ohne jegliche Reibung durch das Ensemble der Atomrümpfe gleiten und so einen elektrischen Strom mit sich führen, der keinerlei Verluste erfährt. Doch müssen diese Materialien dazu in aufwändigen Verfahren auf Temperaturen knapp über den absoluten Nullpunkt gekühlt werden.
Seit gut zwanzig Jahren kennen Wissenschaftler jedoch Substanzen, die bereits bei viel höheren Temperaturen diese Eigenschaften ebenfalls besitzen. Diese Hochtemperatur-Supraleiter genannten Stoffe müssen nur noch mit dem viel billigeren und einfach zu handhabenden Stickstoff gekühlt werden. Doch fehlt den Physikern bislang das Verständnis, warum diese Materialien überhaupt Strom verlustfrei transportieren können. Die zur Erklärung der normalen Supraleitung notwendigen Gitterschwingungen schieden für viele Forscher aus, weil die vergleichsweise hohen Temperaturen zu großen Störungen führen müssten. Erst kürzlich entdeckten Experimentatoren hingegen Hinweise, dass die magnetischen Momente einiger Atome für diese Prozesse offenbar eine wichtige Rolle spielen.
Dem widerspricht das Team um Lee nun, da es durch Messungen mit einem Rastertunnelmikroskop nachgewiesen haben will, dass die Gitterschwingungen der Atomrümpfe zumindest ebenso zur Entstehung der Supraleitung beitragen. Zum Beweis ihrer These bewegten sie die Spitze des Mikroskops in Nanometer kleinen Schritten über ihre Probe und maßen damit die kleinsten Änderungen des elektrischen Stromes zwischen ihrer Sonde und dem Material. Dabei stellten sie fest, dass die Supraleitung dort am ausgeprägtesten war, wo auch die Gitterschwingungen besonders deutlich auftraten.
Zur weiteren Prüfung ihrer Annahme ersetzte die Arbeitsgruppe zudem den Sauerstoff in ihrer Probe durch ein schwereres Isotop des gleichen Elements. Dieses schwingt auf Grund seiner höheren Masse weniger heftig. Das Team konnte dann die nach ihrer Theorie zu erwarteten Veränderungen in der lokalen Leitfähigkeit feststellen. Daraus schließen die Cornell-Forscher, dass auch bei Hochtemperatur-Supraleitern Gitterschwingungen zumindest einen Beitrag zum Zustandekommen der Supraleitung beitragen.
Das genaue Verständnis der Funktionsweise dieser Stoffe würde helfen, gezielt nach solchen Materialien zu suchen oder sie sogar künstlich herzustellen. Diese Substanzen bergen enormes wirtschaftliches Potenzial, weil damit Elektrizität ohne Verluste von einem Erzeuger zu einem Verbraucher geführt werden können. Damit ließe sich nach Expertenmeinung rund zehn Prozent oder sogar mehr an Kraftwerksleistungen einsparen.
Schon lange ist bekannt, dass so genannte Phononen – das sind quantenmechanische Beschreibungen von Gitterschwingungen in einem Festkörper – dafür verantwortlich sind, dass sich je zwei Elektronen zu so genannten Cooper-Paaren zusammenfinden. Diese Pärchen können dann ohne jegliche Reibung durch das Ensemble der Atomrümpfe gleiten und so einen elektrischen Strom mit sich führen, der keinerlei Verluste erfährt. Doch müssen diese Materialien dazu in aufwändigen Verfahren auf Temperaturen knapp über den absoluten Nullpunkt gekühlt werden.
Seit gut zwanzig Jahren kennen Wissenschaftler jedoch Substanzen, die bereits bei viel höheren Temperaturen diese Eigenschaften ebenfalls besitzen. Diese Hochtemperatur-Supraleiter genannten Stoffe müssen nur noch mit dem viel billigeren und einfach zu handhabenden Stickstoff gekühlt werden. Doch fehlt den Physikern bislang das Verständnis, warum diese Materialien überhaupt Strom verlustfrei transportieren können. Die zur Erklärung der normalen Supraleitung notwendigen Gitterschwingungen schieden für viele Forscher aus, weil die vergleichsweise hohen Temperaturen zu großen Störungen führen müssten. Erst kürzlich entdeckten Experimentatoren hingegen Hinweise, dass die magnetischen Momente einiger Atome für diese Prozesse offenbar eine wichtige Rolle spielen.
Dem widerspricht das Team um Lee nun, da es durch Messungen mit einem Rastertunnelmikroskop nachgewiesen haben will, dass die Gitterschwingungen der Atomrümpfe zumindest ebenso zur Entstehung der Supraleitung beitragen. Zum Beweis ihrer These bewegten sie die Spitze des Mikroskops in Nanometer kleinen Schritten über ihre Probe und maßen damit die kleinsten Änderungen des elektrischen Stromes zwischen ihrer Sonde und dem Material. Dabei stellten sie fest, dass die Supraleitung dort am ausgeprägtesten war, wo auch die Gitterschwingungen besonders deutlich auftraten.
Zur weiteren Prüfung ihrer Annahme ersetzte die Arbeitsgruppe zudem den Sauerstoff in ihrer Probe durch ein schwereres Isotop des gleichen Elements. Dieses schwingt auf Grund seiner höheren Masse weniger heftig. Das Team konnte dann die nach ihrer Theorie zu erwarteten Veränderungen in der lokalen Leitfähigkeit feststellen. Daraus schließen die Cornell-Forscher, dass auch bei Hochtemperatur-Supraleitern Gitterschwingungen zumindest einen Beitrag zum Zustandekommen der Supraleitung beitragen.
Das genaue Verständnis der Funktionsweise dieser Stoffe würde helfen, gezielt nach solchen Materialien zu suchen oder sie sogar künstlich herzustellen. Diese Substanzen bergen enormes wirtschaftliches Potenzial, weil damit Elektrizität ohne Verluste von einem Erzeuger zu einem Verbraucher geführt werden können. Damit ließe sich nach Expertenmeinung rund zehn Prozent oder sogar mehr an Kraftwerksleistungen einsparen.
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