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Lexikon der Astronomie: Farbsupraleitung

Die BCS-Theorie (nach den Pionieren John Bardeen, Leon Cooper, Bob Schrieffer, 1957) der Supraleitung in der theoretischen Festkörperphysik sieht ein kollektives Phänomen der Leitungselektronen vor. Wenn es kalt wird, sind Elektronen ungern Singles: Bei tiefen Temperaturen schließen sich deshalb zwei Elektronen (die zur Gruppe der Fermionen gehören) zu den so genannten Cooper-Paaren zusammen.

Ein perfektes Quantenpaar

Diese Paarung ist nur mit einer Wechselwirkung mit dem Kristallgitter des Festkörpers zu erklären, so dass eine anziehende (attraktive) Kraft zwischen den sich normalerweise aufgrund der Coulomb-Kraft abstoßenden Elektronen resultiert. Die Paare sind dann bosonisch und weisen damit völlig neue physikalische Eigenschaften auf. Die Pärchen pfeifen nämlich auf das Pauli-Verbot! Cooper-Paare bestehen aus Elektronen mit antiparallelem Spin, und deshalb können sich beliebig viele Cooper-Paare im gleichen Quantenzustand (gleiches Energieniveau) aufhalten.

Paare haben keinen Widerstand

Das widerstandslose Stromfließen in einem Supraleiter kann dadurch erklärt werden, dass die Cooper-Paare nicht an den Gitterionen gestreut werden können. Gerade diese Streuung führt bei der 'normalen' Leitung zu Verlusten, dem elektrischen Widerstand. Die Paare wirken jedoch aufgrund der starken Korrelation mit dem Gitter als Gesamtheit: der Gesamtimpuls der Cooper-Paare, also der elektrische Strom, bleibt erhalten. Erst das Aufbrechen der Bindung der Cooper-Paare durch Zuführen von Energie (höhere Temperaturen) kann die Supraleitung beenden.

Phasendiagramm der QCD

Farbsupraleitung als Pendant

In Analogie zur dieser BCS-Supraleitung wurde bereits 1977 von Barrois eine Farbsupraleitung (engl. color superconductivity) vorgeschlagen, die vor kurzem 'wiederbelebt' wurde. In der Farbsupraleitung sind es nicht Elektronen, sondern Quarks, die fermionischen Konstituenten der Nukleonen, die eine Paarbindung (Diquarks) eingehen. Die Bezeichnung Farbsupraleitung rührt daher, weil Quarks neben der drittelzahligen elektrischen Ladung eine Farbladung tragen (Quantenchromodynamik, QCD).

Bezug zu kompakten Sternen

Einen Übergang in eine Phase von Quarkpaaren vermutet man bei sehr hohen Dichten (mehrfache Kernmateriedichte!), beispielsweise im Innern von Neutronensternen und Quarksternen. Das Phasendiagramm oben zeigt, wie man sich die drei Phasen Hadronen, farbsupraleitende Phase und Quark-Gluonen-Plasma mit jeweiligen Phasengrenzen vorstellt.
Allerdings beträgt der Einfluss der Farbsupraleitung auf die Zustandsgleichung von kompakten Objekten wie den Neutronensternen nur wenige Prozent, weshalb ihre Wichtigkeit für phänomenologische Modelle eher marginaler Natur ist.

Quelle

  • Alford, M.: Color superconducting quark matter in compact stars, Preprint hep-ph/0110150

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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