Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenturbo für verlustfreien Strom

08.06.2010
Quanteneffekte verstärken die Supraleitung von Zinn-Nanopartikeln drastisch

Wann ein Metallteilchen den elektrischen Widerstand verliert, ist auch eine Frage seiner Größe. Die Temperatur, unterhalb derer ein Material zu einem Supraleiter wird, kann nämlich drastisch steigen - wenn der Stoff als Nanokügelchen mit bestimmtem Durchmesser vorliegt.

Das haben Forscher des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung mit Kollegen aus Regensburg und Lissabon nachgewiesen, indem sie Zinn-Nanopartikel mit einem Rastertunnelmikroskop untersuchten. Demnach verstärken Quanteneffekte in den winzigen Teilchen die Supraleitung um bis zu 60 Prozent, aber nur bei "magischen" Größen, die eine Theorie auf den Nanometer genau vorhersagt. Diese Ergebnisse liefern neue Ansatzpunkte, um der verlustfreien Stromleitung auch bei Raumtemperatur näherzukommen. (Nature Materials, Juni 2010)

Mit Materialien, die Strom auch bei sommerlichen Temperaturen noch ohne Widerstand transportieren, ließe sich eine Menge Energie sparen. Supraleiter können das - im Prinzip. Doch die derzeit besten Supraleiter geben ihren Widerstand erst unterhalb von rund minus 170 Grad Celsius auf. Obwohl die Supraleitung bei Raumtemperatur noch immer in weiter Ferne liegt, sind ihr die Forscher des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung ein kleines Stück näher gekommen: Sie haben die kritische Temperatur, unterhalb derer ein Material zum Supraleiter wird, im Labor dramatisch angehoben, indem sie Nanopartikel bestimmter Größe erzeugten.

Die kritische Temperatur steigt - die Physiker sprechen von einer Verstärkung der Supraleitung -, weil die Energiezustände in Nanoteilchen quantisiert sind. In einem größeren Stück des Materials bilden sie dagegen ein breites Band, das sich über das gesamte Material ausdehnt. Für viele Atome ergeben sich nämlich sehr viele dicht beieinander liegende Zustände. Die wenigen Atome in einem Nanoteilchen können dagegen nur eine kleine Zahl von Zuständen besetzen. Die Beschränkung der Quantenzustände ändert die Eigenschaften nanoskopischer Systeme abrupt und oft unvorhergesehen. "In niederdimensionalen Supraleitern ist eine der überraschendsten Konsequenzen, dass Schaleneffekte auftreten, die die Supraleitung verstärken", sagt Klaus Kern, Direktor am Stuttgarter Max-Planck-Institut.

Theoretisch haben Physiker diese Schaleneffekte bereits seit längerem vorhergesagt. Demnach bilden metallische Nanopartikel elektronische Schalen - ähnlich den Schalen, auf denen sich die Elektronen in einzelnen Atomen anordnen. Auch die Elektronen in den Nanopartikeln besetzen nun diese Schalen. Bei bestimmten Anzahlen schließen sich die Elektronen in den Schalen leichter zu Cooper-Paaren zusammen, die sich ohne Widerstand durch das Material bewegen können. Wann sich in den Schalen die ‚magischen’ Anzahl von Elektronen versammeln, hängt auch von der Größe und Form der Partikel ab.

"Die Experimente, um die vorhergesagten Quanteneffekte zu bestätigen, sind extrem anspruchsvoll und erreichen die Grenze des technisch Möglichen", sagt Sangita Bose, die zusammen mit Ivan Brihuega zum ersten Mal untersucht hat, wie die Größe den supraleitenden Zustand individueller Nanopartikel beeinflusst.

Die Forscher haben in einem extrem guten Vakuum zunächst exakte Halbkugeln aus Zinn und Blei gezüchtet, deren Höhen sie gezielt zwischen einem und 50 Nanometern einstellten. Mit einem speziellen Rastertunnelmikroskop, das Forscher des Max-Planck-Instituts entwickelt haben, untersuchten die Physiker anschließend die elektronischen Eigenschaften der Nanoteilchen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von rund minus 273 Grad Celsius. Mit sehr hoher Auflösung bestimmten sie für jedes individuelle Teilchen die supraleitende Energielücke. Aus den Energielücken ergeben sich dann die kritischen Temperaturen, bei denen sie Supraleitung auftritt.

Die Experimente zeigten, dass die supraleitende Energielücke der Zinn-Nanopartikel sehr empfindlich auf die Partikelgröße reagiert. Sie nimmt allerdings weder kontinuierlich ab noch steigt sie stetig an, sondern springt vielmehr stark hin und her. "Das sieht zunächst aus wie Rauschen, entspricht aber den Vorhersagen der Theorie", sagt Klaus Kern. Die Größe braucht sich nur um Bruchteile eines Nanometers zu ändern, und schon springt die kritische Temperatur in die Höhe, bevor sie im nächst kleineren Partikel schon wieder drastisch abfällt. Für Blei-Nanopartikel fällt der Effekt weit schwächer aus. In beiden Materialien tritt allerdings überhaupt keine Supraleitung mehr auf, wenn die Partikel kleiner als vier Nanometer sind. "Das wurde zwar bereits vor 50 Jahren theoretisch vorhergesagt, wir haben das aber jetzt zum ersten Mal an einzelnen Partikeln nachgewiesen", sagt Ivan Brihuega.

Um die experimentellen Ergebnisse theoretisch zu unterfüttern, haben Antonio M. García-García, Wissenschaftler am Instituto Superior Technico in Lissabon, und Juan D. Urbina von Universität Regensburg, Korrekturen für die endliche Ausdehnung und Form der Partikel in die Standard-BCS-Theorie für Supraleiter eingeführt. Ihre Berechnungen geben die experimentellen Ergebnisse sehr gut wieder. Sie spiegeln auch wider, dass die Supraleitung mit der Größe der Zinn-Nanopartikel stark variiert. Im Blei tritt der Effekt allerdings kaum auf. "Das unterschiedliche Verhalten der beiden Metalle lässt sich mit der unterschiedlichen Kohärenzlänge erklären, die die räumliche Ausdehnung der Elektronenpaare für die Supraleitung beschreibt", sagt Sangita Bose. Die Kohärenzlänge im Zinn ist viel größer als im Blei, was Zinn weitaus empfindlicher gegenüber Quanteneffekten macht.

Da die quantenmechanischen Schaleneffekte in allen Materialien auftreten, lassen sie sich nutzen, um die Supraleitung in vielen Materialien zu verstärken. "Damit eröffnet das ‚Quanten-Engineering’ durch die gezielte Nanostrukturierung eine völlig neue Perspektive für die Supraleitung und bietet auch vielversprechende technologische Aussichten", so Klaus Kern.

Originalveröffentlichung:

Sangita Bose, Antonio M. García- García, Miguel M. Ugeda, Juan D. Urbina, Christian H. Michaelis, Ivan Brihuega and Klaus Kern
Observation of shell effects in superconducting nanoparticles of Sn
Nature Materials, Juni 2010; DOI: 10.1038/NMAt2768
Weitere Informationen erhalten Sie von:
Prof. Dr. Klaus Kern
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart
Tel.: +49 711 689-1660
E-Mail: k.kern@fkf.mpg.de
Dr. Sangita Bose
Tata Institute of Fundamental Research, Mumbai (Indien)
Tel.: +91 22 2278 2446
E-Mail: sangita.bose@gmail.com

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

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: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie