24. Dezember 2011, Neue Zürcher Zeitung / NZZexecutive

Supraleitung – widerstandsloser Stromfluss

Errungenschaften der Technik

Errungenschaften der Technik - Supraleitung (Bild: istock)

Lucien F. Trueb

Dem an der Universität Leiden lehrenden Physiker Heike Kammerlingh Onnes (1853–1926) gelang 1908 erstmals die Verflüssigung von Helium bei –268,93 Grad Celsius, nur 4,22 Grad über dem absoluten Nullpunkt der Temperatur (das heisst 4,22 K). Mit der Untersuchung des elektrischen Widerstands von Metallen bei extrem tiefen Temperaturen begann Kammerlingh Onnes in den Jahren 1910 und 1911.

Quantenphysikalischer Effekt

Die ersten in dieser Hinsicht untersuchten Metalle waren Platin, Kupfer, Silber und Gold, von denen bekannt war, dass ihr spezifischer Widerstand linear mit der Temperatur sinkt; bei 4,25 K wurde aber ein konstanter Restwert erreicht. Ganz anders verhielten sich Quecksilber, Blei und Zinn: Im Temperaturbereich des flüssigen Heliums, doch bei einer materialspezifischen Sprungtemperatur fiel ihr elektrischer Widerstand schlagartig auf null. So entdeckte Kammerlingh-Onnes das Phänomen der Supraleitung; 1913 erhielt er den Nobelpreis. Die Supraleitung ist ein quantenphysikalisches Phänomen, das lange unverstanden blieb. Erst Ende der 1950er Jahre gelang John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer die Formulierung des sogenannten BCS-Modells. Danach bilden in gewissen Metallen die Leitungselektronen bei der Sprungtemperatur Paare mit entgegengesetztem Spin, die sich widerstandsfrei und ohne Wärmeerzeugung durch das positiv geladene Kristallgitter bewegen. Für diese Erkenntnis wurde dem BCS-Trio 1972 der Nobelpreis verliehen.

Weltweit wurden enorme Anstrengungen gemacht, um Metalle, Legierungen oder intermetallische Verbindungen zu finden, die bei der Temperatur des preiswerten flüssigen Stickstoffs (–196 °C) supraleitend sind. Umsonst – eine höhere Sprungtemperatur als –250 °C (23 K) liess sich bei metallischen Werkstoffen nicht erreichen. Den entscheidenden Durchbruch brachte eine bisher obskure Klasse keramischer Materialien, die sogenannten Cuprate. 1986 entdeckten nämlich Johannes Bednorz und Karl Alex Müller am IBM-Laboratorium in Rüschlikon, dass Lanthan-Bariumcuprat schon bei 35 K supraleitend wird. Bald darauf doppelten sie mit Yttrium-Bariumcuprat nach, dessen Sprungtemperatur bei sensationellen 93 K liegt. Gleich nach ihrer Entdeckung wurden die supraleitenden Cuprate oder «Zürcher Oxide» zu einem der heissesten Themen der Physik. Im Lauf der nächsten Jahre wurden zahlreiche neue Verbindungen dieser Art synthetisiert, mit immer höheren Sprungtemperaturen. Quecksilber-Thallium-Barium-Calciumcuprat war der Rekordträger: 138 K (–135 °C). Schon 1987 konnten Bednorz und Müller ihre Nobel-Reise nach Stockholm antreten.

Es ist seit den 1930er Jahren bekannt, dass es zwei Arten von Supraleitern gibt. Viele Metalle gehören zu den Supraleitern des Typs I und sind durch den Meissner Effekt gekennzeichnet, der das Eindringen eines Magnetfelds in den Supraleiter verhindert. Bei einer kritischen, relativ geringen Magnetfeldstärke bricht die Supraleitung zusammen. Für solche Supraleiter gilt die BCS-Theorie, was bei den Supraleitern des Typs II nicht zutrifft. Zudem dringen selbst starke Magnetfelder ohne Beeinträchtigung der Stromleitung in sie ein. Die Cuprate sowie andere, schon früher entdeckte Stoffe gehören zu den Supraleitern des Typs II. Für die Erforschung der verschiedenen Typen von Supraleitern wurde 2003 wieder ein Nobelpreis verliehen, und zwar den russischen Physikern Witali Ginsburg und Alexei Abrikosow.

Erst exotische Anwendungen

Metallische Supraleiter sind relativ einfach herzustellen, doch wird zur Kühlung das teure flüssige Helium benötigt; darum fanden sie bisher nur einige wenige Anwendungen. Am besten bewährt hat sich Niob-Titan, das sich zu mikrometerdünnen Fäden ausziehen lässt; Bündel davon werden in Kupfer eingebettet. Aus solchen Drähten bestehen die Spulen supraleitender Magnete, die unter anderem in Kernspintomografen und Teilchenbeschleunigern wie auch in Instrumenten, die zur Messung der sehr schwachen Magnetfelder im Gehirn und im Herz eingesetzt werden.

Supraleiter des Cuprat-Typs haben trotz ihren äusserst attraktiven Eigenschaften noch keine industriellen Anwendungen gefunden. Ihr Nachteil ist, dass sie wie alle Keramiken spröd und brüchig sind; bei Normaltemperatur verhalten sie sich wie Isolatoren. Weil man daraus keine Drähte ziehen kann, muss man die Pulver in gut leitendem Metall verteilen, was sehr kostspielig ist. Immerhin wird zurzeit mit aufwendigen Pilotprojekten die Machbarkeit von supraleitenden Stromleitungen, Generatoren, Motoren, Energiespeichern, Fehlstrombegrenzern und ultraschnellen elektronischen Schaltungen für Supercomputer geprüft. Die Erwartungen in die «Zürcher Oxide» sind also weiterhin sehr hoch.

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