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News: Ungewöhnliche Gesellen

Supraleiter sind Stoffe, die Elektrizität ohne Widerstand leiten. Eine solche Supraleitfähigkeit kommt aber gewöhnlich nur vor, wenn ein Stoff - meist ein Metall - fast bis auf den absoluten Nullpunkt von -273 °C abgekühlt wird. Jetzt ist die Grundlagenforschung über Supraleitung bei tiefen Temperaturen wieder einen Schritt weitergekommen: Ein Phänomen namens paramagnetischer Meißner-Effekt konnte geklärt werden.
Obgleich die Supraleitfähigkeit zum ersten Mal bereits 1911 durch den niederländischen Physiker Heike Kamerlingh-Onnes (1853-1926) beschrieben wurde, machte sie erst in den letzten 10 Jahren wirklich Schlagzeilen. Grund war die Entdeckung von sogenannten Hochtemperatur-Supraleitern, von Stoffen also, die eine Supraleitung bei "höheren" Temperaturen ermöglichen. Eine Supraleitung bei Zimmertemperatur indes liegt noch immer in weiter Ferne.

Doch es gibt auch immer noch viel über die Grundlagen derjenigen Supraleitung zu lernen, die Kamerlingh-Onnes einst beobachtete. Wenn ein Metall unter seine Sprungtemperatur gekühlt wird, fällt sein elektrischer Widerstand jäh ab, und es wird zum Supraleiter. Diese Umwandlung wird begleitet von einem "Herausdrängen" von Magnetfeldern, ein Phänomen, welches als Meißner-Ochsenfeld-Effekt bezeichnet wird. Magnetische Felder innerhalb des geordneten Atomgitters eines Metalls würden die Energie von stromführenden Elektronen absorbieren und so elektrischen Widerstand hervorrufen. Supraleitfähigkeit und Magnetfelder lassen sich genauso schlecht zusammenbringen wie Öl und Wasser.

Oder stimmt das doch nicht? In den 90er Jahren gab es einige bemerkenswerte Beobachtungen von Supraleitern, die magnetische Felder sogar anzogen – ein Phänomen, das als paramagnetischer Meißner-Effekt (PME) bezeichnet wird. Diese Beobachtungen waren jedoch äußerst umstritten.

Ein Bericht in Nature vom 12. November 1998 von A. K. Geim von der Katholieke Universiteit Nijmegen in den Niederlanden und seinen Kollegen könnte jetzt das Problem geklärt und zu einer einfachen Antwort geführt haben: Es kommt auf die Größe an. Die Wissenschaftler konnten den paramagnetischen Meißner-Effekt verläßlich bei Aluminium beobachten, das auf 1,2 Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde. Der entscheidende Punkt war, daß das Aluminium in der Form von kleinen Scheiben einen Durchmesser von nicht mehr als 2,5 Micron (1 Micron ist der Tausendste Teil eines Millimeters) und eine Dicke von nicht mehr als einem Zehntel Micron hatte.

In schwachen Magnetfeldern verhalten sich diese Scheiben wie "normale" Supraleiter: Sie verdrängen bei der Sprungtemperatur die Magnetfelder aus ihrem Inneren. In stärkeren Magnetfeldern indes wird die Umwandlung zur Supraleitung von einer positiven Magnetisierung begleitet, der PME. Der Grund ist die geringe Größe der Proben. Die Forscher interpretieren die positive Magnetisierung als eine Oberflächeneigenschaft von Supraleitern. Da kleine Proben im Verhältnis zum Volumen eine viel größere Oberfläche haben als größere Proben, tritt bei ihnen die positive Magnetisierung viel stärker auf.

Wie können dann aber die Beobachtungen des PME bei großen Stoffproben erklärt werden? Die Antwort lautet: Große Proben bestehen aus kleineren, die mehr oder weniger gut aneinander haften. So hing die ursprüngliche Beobachtung des PME davon ab, daß das Material sich in einem losen, granulären Zustand befand.

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