Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn Elektronen sich paaren

31.03.2009
Wann finden Physiker den ersten Supraleiter, der seine verblüffenden Eigenschaften bereits bei Zimmertemperatur zeigt?

Noch scheint der Weg dahin weit zu sein. Eine Entdeckung, an der Forscher der Universität Würzburg beteiligt waren, zeigt jetzt immerhin die Richtung deutlich an.

Die so genannte "Supraleitung" gehört innerhalb der Physik zu den Forschungsgebieten, auf die sich schon seit etlichen Jahrzehnten große Hoffnungen richten. Der Effekt, dass bestimmte Materialien bei niedrigen Temperaturen Strom verlustfrei - das heißt: ohne Widerstand - transportieren können, macht diese für viele Anwendungen äußerst reizvoll: als unvorstellbar schnelle Computerchips, als Magnet in der Schwebebahn, als Speicher in der Stromproduktion, als verlustfreie Stromnetze.

Noch tritt Supraleitung erst bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen auf: Minus 120 Grad Celsius ist der zurzeit höchste Wert, bei dem ein Stoff zum Supraleiter wird. Physiker erhoffen sich mehr: "Unser Traum ist es, ein Material zu finden, das bereits bei Zimmertemperatur die gewünschten Eigenschaften zeigt", sagt Werner Hanke.

Der Zufall hat die Suche bestimmt

Hanke war bis vor Kurzem Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Physik I und ist jetzt Senior-Professor an der Universität Würzburg; sein Spezialgebiet ist die theoretische Festkörperphysik. Im vergangenen Jahrzehnt hat er sich darauf konzentriert, den Mechanismus aufzuklären, welcher der Hochtemperatur-Supraleitung zugrunde liegt. Jetzt ist er dabei - gemeinsam mit Kollegen aus Deutschland und den USA - einen bedeutenden Schritt weitergekommen. Die Fachzeitschrift Nature Physics hat über dieses Ergebnis berichtet.

"Bisher war die Suche nach neuen Supraleitern mehr vom Zufall bestimmt als von einem exakten Wissen", sagt Werner Hanke. Um unter den mehr als 100 bekannten chemischen Elementen mit ihren schier unzähligen Kombinationsmöglichkeiten die meistversprechenden zu identifizieren, sei aber ein Prinzip nötig. "Dieses Prinzip hat uns bisher gefehlt. Jetzt wird es langsam sichtbar", sagt der Physiker.

Zwei Klassen von Supraleitern existieren

Zwei Klassen von Supraleitern haben Physiker bisher entdeckt: Die einen - schon seit etwa 100 Jahren bekannten "Tieftemperatur-Supraleiter" - leiten Strom erst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius ohne Widerstand. Die anderen, erst vor 20 Jahren entdeckten "Hochtemperatur-Supraleiter" - in der Regel Materialien mit Keramik-ähnlichen Eigenschaften - schaffen dies bereits bei Werten um die minus 150 Grad Celsius. Der Unterschied ist von Bedeutung: "Zur Kühlung auf extrem tiefe Temperaturen benötigt man flüssiges Helium, das sehr teuer ist", sagt Hanke. Für die so genannten "Hochtemperatur-Supraleiter" hingegen reicht flüssiger Stickstoff - ein im Vergleich äußerst billiges Kühlmittel.

In beiden Fällen ist der verantwortliche Effekt jedoch der gleiche: Elektronen schließen sich zu Paaren zusammen und werden so in die Lage versetzt, widerstandslos ihre Reise durch den Leiter anzutreten. "Es ist, als würden alle Autos auf der Autobahn zu einem Zug gekoppelt. Weil alle mit derselben Geschwindigkeit fahren, gibt es keinen Stau, und sie kommen schnell zum Ziel", erklärt Hanke. Dazu müssen sich allerdings die Elektronen, die sich normalerweise wegen ihrer gleichen Ladung abstoßen, paarweise binden. Wie diese Paarung genau vonstatten geht, verstehen die Wissenschaftler in den Tieftemperatur-Supraleitern seit etwa 50 Jahren. In den Hochtemperatur-Leitern war der "Klebstoff", der die Elektronen zu Paaren formt, nicht bekannt. Genau hier setzt die Nature-Arbeit ein:

Elektronen wandern wie Kugeln auf einer Matratze

In einem gewöhnlichen Leiter wandern Elektronen durch das Kristallgitter, wenn eine Spannung angelegt wird, und bauen dadurch den Strom auf. Dabei prallen sie immer wieder auf die sehr viel größeren Ionen, werden abgelenkt und verlieren Energie. Das ist der Effekt, der sich hinter dem Begriff "Widerstand" verbirgt und der zu dem beträchtlichen Verlust zum Beispiel in Stromnetzen führt. Im Supraleiter sieht das anders aus: Dort bilden die Elektronen Paare, die sich sozusagen gegenseitig den Weg weisen. Ähnlich wie schwere Kugeln auf einer Matratze Mulden verursachen, verformen die Elektronen im Fall der Tieftemperatur-Supraleiter das regelmäßige Kristallgitter, das von den Ionen aufgebaut wird, oder, genauer gesagt: das Kraftfeld zwischen den Ionen, das entsteht, weil die negativen Elektronen die positiven Ionen anziehen. In die Vertiefung, die das eine Teilchen hinterlässt, fällt das zweite quasi automatisch hinein.

Magnetische Kräfte sind im Hochtemperatur-Supraleiter am Werk

Wie das Forscherteam in dem Nature-Artikel jetzt zeigen konnte, sind in den Hochtemperatur-Supraleitern ganz andere Kräfte, nämlich magnetische Kräfte für das Verschwinden des Widerstands verantwortlich. Diese magnetischen Kräfte beruhen auf dem so genannten Spin, also der Richtung, in der sich diese Teilchen um ihre eigene Achse drehen.

Solch einen Spin, den man sich wie einen winzig kleinen Magneten mit Nord- und Südpol vorstellen kann, besitzen auch die Ionen, die im Kristallgitter des Supraleiters an den Kreuzungspunkten sitzen. Ist die Richtung der Spins, beziehungsweise der kleinen Magneten, jeweils die gleiche, hält man einen Ferro-Magneten in der Hand; wechselt die Richtung von Ion zu Ion, ist das Material antiferromagnetisch - wie im Falle der Hochtemperatur-Supraleiter.

Zwei Leerstellen im Gitter bringen die Elektronenpaare in Schwung

Wie ein Schachbrett sehen demnach die einzelnen Ebenen aus, aus denen diese supraleitenden Kristalle bestehen: Die unterschiedlichen Richtungen der Magnete stehen dann für die weißen und schwarzen Felder. Bringen die Physiker in das normalerweise sehr regelmäßige magnetische Gitter dieser Materialien nun vereinzelt Atome anderer Elemente hinein, verändert das die schöne Ordnung geringfügig. In dem Supraleiter sind dann einzelne Plätze in diesem magnetischen Gitter unbesetzt, so dass benachbarte Elektronen mit ihrem Spin auf die freien Stellen springen können. "Das kostet allerdings viel Energie und ist für den Widerstand verantwortlich, denn die resultierende Anordnung, bei der Elektronen mit gleicher Magnet-Ausrichtung direkt nebeneinander liegen, ist energetisch ungünstig", sagt Hanke.

Das ändert sich jedoch schlagartig, wenn zwei Leerstellen nahe beieinander liegen und die auf diese Leerstellen springenden Elektronen sich "paaren": Störungen im Schachbrettmuster, also im magnetischen Gitter, die das erste Elektron hervorruft, werden dann von dem zweiten Elektron wieder rückgängig gemacht. Die Folge daraus: Zwei benachbarte Lücken - und somit auch die in sie hinein springenden Elektronen, die sich zu einem Paar formieren - können ohne eine Störung im magnetischen Schachbrett-Gitter zu hinterlassen beispielsweise nach rechts verschoben werden und auf diese Weise ohne Widerstand Ladung transportieren. Wenn sich schließlich sehr, sehr viele solcher sogenannter "Cooper-Paare" zusammentun und mit gleicher Geschwindigkeit bewegen, dann entsteht der Supraleiter mit seinen faszinierenden Eigenschaften.

Nur die größten Rechner bringen die erforderliche Leistung

Was sich in der Erklärung vergleichsweise einfach anhört, ist in der Überprüfung extrem aufwändig und bedarf der Unterstützung seitens der leistungsfähigsten Großrechner, die zurzeit auf dem Markt sind. "Schließlich geht es in diesem Fall nicht um einzelne Elektronenpaare", sagt Werner Hanke. "Hier treten 10 hoch 23 und mehr Teilchen miteinander in Wechselwirkung."

Bei der Simulation auf den größten Computern der Welt konnte Hanke gemeinsam mit Physikern der University of California und mit Kollegen vom Max-Planck-Institut in Stuttgart und in Dresden zeigen, dass tatsächlich die Spins der Elektronen für den "Klebstoff" sorgen, der sie zu Paaren bindet.

Nichts spricht gegen Supraleitung bei Zimmertemperatur

Was Hanke besonders freut, ist die Tatsache, dass die Physik nun über eine Formel verfügt, mit der sie zumindest annäherungsweise für bestimmte Stoffkombinationen die Temperatur berechnen kann, bei der aus einem regulären Leiter ein Supraleiter wird. Und vielleicht lässt sich damit ja auch der umgekehrte Weg gehen: Mit der Wunschtemperatur nach einer geeigneten Molekülkombination suchen.

Werner Hanke ist jedenfalls optimistisch, dass es nur noch eine Frage der Zeit ist, bis Physiker den ersten Supraleiter in der Hand halten, der bereits in der Nähe von Zimmertemperatur Strom ohne Widerstand leitet. Schließlich gebe es keinerlei Hinweis darauf, dass dieser Effekt, aus welchen Gründen auch immer, bei einer bestimmten Temperatur endet.

"Strength of the spin-fluctuation-mediated pairing interaction in a high-temperature superconductor". T. Dahm, V. Hinkov, S. V. Borisenko, A. A. Kordyuk, V. B. Zabolotnyy, J. Fink, B. Büchner, D. J. Scalapino, W. Hanke and B. Keimer. Nature Physics: doi: 10.1038/NPHYS1180

Kontakt:
Prof. Werner Hanke,
T: (0931) 31 85 71 4,
E-Mail: hanke@physik.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

nachricht Seltene Erden: Wasserabweisend erst durch Altern
22.03.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Im Focus: Auf der Spur des linearen Ubiquitins

Eine neue Methode ermöglicht es, den Geheimcode linearer Ubiquitin-Ketten zu entschlüsseln. Forscher der Goethe-Universität berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von "nature methods", zusammen mit Partnern der Universität Tübingen, der Queen Mary University und des Francis Crick Institute in London.

Ubiquitin ist ein kleines Molekül, das im Körper an andere Proteine angehängt wird und so deren Funktion kontrollieren und verändern kann. Die Anheftung...

Im Focus: Tracing down linear ubiquitination

Researchers at the Goethe University Frankfurt, together with partners from the University of Tübingen in Germany and Queen Mary University as well as Francis Crick Institute from London (UK) have developed a novel technology to decipher the secret ubiquitin code.

Ubiquitin is a small protein that can be linked to other cellular proteins, thereby controlling and modulating their functions. The attachment occurs in many...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

Über Raum, Zeit und Materie

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Besser lernen dank Zink?

23.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Innenraum-Ortung für dynamische Umgebungen

23.03.2017 | Architektur Bauwesen