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News: Auf den Spuren der Hochtemperatur-Supraleitung

Wenn es so richtig kalt ist - bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt -, vermögen einige Materialien elektrischen Strom ohne Widerstand zu leiten. Die Physik dieser Supraleitung ist recht gut verstanden. Doch manche Legierungen und Keramiken werden schon supraleitend, wenn es noch relativ warm ist. Ein neues Experiment weist darauf hin, daß die Hochtemperatur-Supraleitung wohl ganz anders zu erklären ist als mit der bisherigen Theorie.
Bereits 1957 veröffentlichten John Bardeen, Leon Cooper und Bob Schrieffer ein Modell zur Tieftemperatur-Supraleitung, das heute in Anlehnung an die Anfangsbuchstaben ihrer Nachnamen als BCS-Theorie bekannt ist. Danach bilden die Elektronen des Materials bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt (0 K = -273,15 oC) Paare, die über Wechselwirkungen mit dem Kristallgitter gekoppelt sind. Die Anziehung zwischen den beiden Elektronen ist dabei stärker als die Abstoßungskraft aufgrund der gleichen elektrischen Ladung. Beide haben entgegengesetzte Spins und werden als ein Teilchen mit dem Gesamtspin null betrachtet. Für diese sogenannten Cooper-Paare gilt nicht das Pauli-Verbot, das besagt, daß keine zwei Teilchen mit halbzahligem Spin (zum Beispiel "normale" Elektronen) sich im gleichen Quantenzustand befinden dürfen. Die Cooper-Paare können daher bei extrem niedrigen Temperaturen alle in einen einzigen Quantenzustand kondensieren, wobei die Impulse der einzelnen Elektronen den gleichen Betrag aber entgegengesetzte Richtungen haben. Die Paare können nicht mehr an den Gitterionen gestreut werden, und der elektrische Widerstand verschwindet.

Die BCS-Theorie kann jedoch nicht alle Eigenschaften der Hochtemperatur-Supraleiter erklären, die bereits um 100 K (-173 oC) ihren Widerstand verlieren. Einige Physiker vermuten darum, daß es einen zweiten Effekt gibt, der Supraleitung hervorrufen kann. Nach ihren Vorstellungen bilden die meisten Elektronen zwar Paare aus, doch nur wenige von ihnen kondensieren in einen gemeinsamen Quantenzustand. Einen Erklärungsversuch dafür lieferte die exotische Charge-Stripe-Theorie, nach der Ladung und Spin eines Elektrons getrennt werden können.

Zhi-Xun Shen und seine Mitarbeiter an der Stanford University unterzogen diese Vorstellung einigen experimentellen Tests (Science vom 10. April 1998). Sie beschossen den Hochtemperatur-Supraleiter Wismuth-Strontium-Calcium-Kupfer-Oxid, der bei einer kritischen Temperatur von 120 K supraleitend wird, mit Photonen. Aus der Energie und dem Impuls der Elektronen, die dabei aus ihren Bahnen gestoßen wurden, konnten die Forscher ablesen, daß tatsächlich alle Elektronen in Cooper-Paaren gekoppelt waren. Doch anders als bei den Tieftemperatur-Supraleitern besaßen die Elektronen in einem Paar völlig unterschiedliche Impulse. Die Ergebnisse bestätigten außerdem den Impulsübertrag zwischen den Elektronen und dem Material, so wie ihn die Charge-Stripe-Theorie vorausgesagt hatte.

Nach Ansicht von Experten ist dies noch nicht der Sieg des neuen Modells. Die erste Feuerprobe hat es allerdings mit Bravour bestanden.

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