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 VLT macht den präzisesten Test von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie außerhalb der Milchstraße
22.06.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Neue Phänomene im magnetischen Nanokosmos
22.06.2018 | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

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: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics