Verständnis mikroskopischer Defekte ermöglicht gezielte Optimierung von Hochtemperatur-Supraleitern

Physiker aus Augsburg, Gainesville und Kopenhagen berichten in der jüngsten Ausgabe der international renommierten Fachzeitschrift „Nature Physics“ wie es ihnen gelungen ist, die elektrische Ladung, die sich an den Grenzflächen zwischen Kristallkörnern sammelt, als Hauptursache für den reduzierten Stromtransport in Supraleitern zu identifizieren und damit die Voraussetzung für eine gezielte Optimierung des Stromtransports in den Kupferoxid-Supraleitern sowie für die Erweiterung der Möglichkeiten ihres praktischen Einsatzes zu schaffen.

In einer Zeit, in der die drohende globale Energiekrise ins Zentrum der politischen und wissenschaftlichen Diskussion rückt und alternative Verfahren der Energiegewinnung ebenso wie neue Möglichkeiten der Energieeinsparung gesucht und diskutiert werden, gewinnt der verlustfreie Stromtransport durch supraleitende Kabel immer mehr an Bedeutung. Obwohl das Phänomen der Supraleitung, dem ein komplizierter Quantenzustand zugrunde liegt, schon seit nahezu einem Jahrhundert bekannt ist, kamen Supraleiter lange Zeit für den Energietransport, sowie für den Bau von Motoren und Generatoren kaum zum Einsatz, da sie nur bei sehr tiefen Temperaturen funktionsfähig sind – Temperaturen, die nur mit enormem Aufwand erreicht werden können.

Mikroskopische Defekte mit besonders negativen Auswirkungen

Erst vor 25 Jahren – mit der Entdeckung der supraleitenden Eigenschaften einiger Kupferoxid-Verbindungen, für deren Kühlung flüssige Luft ausreichend ist – gelangte ein praktischer Einsatz der Supraleitung für die Energieversorgung in Reichweite. Jedoch legte die Natur auch hier wieder einen Stolperstein auf den Erfolgsweg der Supraleitung: Die in fast allen Materialien vorhandenen mikroskopischen Defekte, die sich durch das Aufeinandertreffen einzelner, gegeneinander verdrehter Materialkörner ausbilden, wirken sich in diesen neuen Supraleitern ganz besonders negativ auf den Stromtransport aus.

Dieser Umstand wurde experimentell umfassend untersucht und verschiedene Verfahren zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften dieser Materialien konnten erfolgreich entwickelt werden, wobei hier Pionierarbeit von Forschern der Universität Augsburg geleistet wurde. Aber ein theoretisches Verständnis dieses Problems war bislang nicht vorhanden.

Durch Modellierung und Simulation theoretisch verständlich gemacht

Nun ist es einer internationalen Gruppe von Physikern an der Universität Augsburg, der Universität von Florida in Gainesville und dem Niels-Bohr Institut in Kopenhagen gelungen, die mikroskopischen Defekte in diesen Materialien erfolgreich theoretisch zu modellieren und den supraleitenden Stromtransport zu simulieren. Dabei wurde die sich an den Grenzflächen zwischen zwei Kristallkörnern sammelnde elektrische Ladung als Hauptursache für den reduzierten Stromtransport identifiziert. Dieses theoretische Verständnis erlaubt es nun, nach gezielten Verfahren zur Verbesserung des Stromtransports in den Kupferoxid-Supraleitern zu suchen und damit letztlich die Möglichkeiten ihres praktischen Einsatzes zu erweitern.

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Augsburger Sonderforschungsbereichs SFB484 und des neu geschaffenen Augsburg-Münchner Transregios TRR80, sowie dem amerikanischen Department of Energy finanziell unterstützt und in der jüngsten Ausgabe der international renommierten Fachzeitschrift Nature Physics vorgestellt (siehe http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/abs/nphys1687.html).

S. Graser , P. J. Hirschfeld, T. Kopp, R. Gutser, B. M. Andersen & J. Mannhart: How grain boundaries limit supercurrents in high-temperature superconductors, in: Nature Physics, published online: 27. June 2010, doi: 10.1038/nphys1687

Ansprechpartner an der Universität Augsburg:

• Dr. Siegfried Graser
siegfried.graser@physik.uni-augsburg.de
• Prof. Dr. Thilo Kopp
thilo.kopp@physik.uni-augsburg.de
• Prof. Dr. Jochen Mannhardt
jochen.mannhart@physik.uni-augsburg.de
Lehrstuhl für Experimentalphysik VI/EKM
Universität Augsburg
86135 Augsburg
Telefon +49(0)821-598-3651