Ein weiterer Traum der Physik scheint Wirklichkeit zu werden. Ein Supraleiter, der bei relativ hohen Temperaturen Leitfähigkeit zeigt sowie kostengünstig und einfach herzustellen ist, wurde vor einigen Tagen auf einer Konferenz in Seattle vorgestellt.
Aufregung in Seattle
Wie die neueste Ausgabe von "Nature" berichtet, herrschte auf der kurzfristig einberufenen Konferenz zum Thema Supraleiter im amerikanischen Seattle Aufregung.
Der Supraleiter Magnesiumdiborid (MgB2) stand im Mittelpunkt des physikalischen Interesses. Erstmalig schon kurz in Tokio von Jun Akimitsu von der "Aoyoma Gakuin University" präsentiert, soll der Supraleiter seinen gesamten elektrischen Widerstand bei 39 Grad Kelvin (entspricht ca. - 234 Grad Celsius) verlieren und supraleitend werden. Die Komponente sei kostengünstig und relativ einfach herzustellen, so die begeisterten Physiker.
Erste Supraleiter metallisch
Die frühesten Supraleiter waren metallisch, aber benötigten schwerfälliges und teures Equipment, um sie auf eine Temperatur knapp oberhalb des absoluten Nullpunktes (null Grad Kelvin, -273,15 Grad Celsius) abzukühlen. Das änderte sich 1986 nach der Entdeckung der Supraleitfähigkeit von Kupferoxiden bei 90 Grad Kelvin.
Einfache metallische Supraleiter wurden über jener Suche nach Supraleitern im Hochtemperaturbereich vergessen. Mit der umfassenden Präsentation des Magnesiumdiborid-Supraleiters in Seattle rückten sie wieder ins Zentrum der Aufmerksamkeit.
Supraleitfähigkeit
1911 von H. Kamerlingh Onnes entdeckte Eigenschaft mancher Metalle und Legierungen, in der Nähe des absoluten Temperaturnullpunkts dem elektrischen Strom keinen Widerstand mehr entgegenzusetzen. Der Übergang vom normalen zum supraleitenden Zustand erfolgt sehr plötzlich bei einer für jeden Stoff bestimmten Sprungtemperatur (bis zur Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter 1986 unter 23,3 Kelvin, danach bis zu 133,5 Kelvin). Bei diesem Übergang ändern sich auch andere physikalische, z. B. die magnetischen Eigenschaften in ungewöhnlicher Weise.
Mehr zu Hochtemperatur-Supraleitern
Überraschendes Verhalten
MgB2 verhält sich wie ein konventioneller metallischer Niedrigtemperatur-Supraleiter - bis auf die Tatsache, dass er bei höheren Temperaturen leitet, zur großen Verblüffung der Physiker in Seattle.
Es gab bereits einige Versuche, die Performance von MgB2 zu steigern. Eine Forschergruppe um Bob Cava von der Princeton University versuchte einzelne Magnesiumatome in MgB2 durch Aluminium zu ersetzten, was zu einer Zerstörung der Supraleitfähigkeit führte. Die Lösung dieses Problems könnte, so einige Wissenschaftler, nicht im Ersetzen einzelner Atome, sondern im Zufügen weiterer Elemente bestehen.
Erste Hinweise auf Anwendbarkeit
Auf der jüngsten Konferenz in Seattle beschrieben verschiedene Gruppen von Wissenschaftlern, wie MgB2 in Leitungen und dünnen Filmen integriert werden kann, sozusagen als erste Schritte zu anwendbaren Technologien.
Als Beispiel präsentierten Physiker der Iowa State University einen einfachen Weg, um supraleitende Leitungen herzustellen: Sie setzten kommerzielle Bor-Fasern bei einer Temperatur von 950 Kelvin Magensiumdampf aus. Die Iowa-State-Physiker glauben auf diese Weise, supraleitende Magneten oder ähnliche Applikationen produzieren zu können.
Organische Moleküle als Supraleiter
Die Synthese organischer Makromoleküle, die bei Raumtemperatur noch supraleitend sind, scheint nicht ausgeschlossen. Nach der BCS-Theorie (von J. Bardeen, L. Cooper und J. R. Schrieffer) bilden je zwei Leitungselektronen eines Metalls unterhalb einer bestimmten tiefen Temperatur so genannte Cooper-Paare. Diese Elektronenpaare können sich frei durch das Metallgitter bewegen, d. h. der elektrische Widerstand verschwindet. Steigt die Temperatur an, dann werden die Paare wieder getrennt. Die einzelnen Elektronen sind zu normalen Leitungselektronen geworden; der elektrische Widerstand tritt wieder auf. Die BCS-Theorie erklärt viele Eigenschaften der Supraleiter, die z. B. in Teilchenbeschleunigern immer mehr Verwendung finden.
Leistungsfähige Alternative?
Was MgB2 in Zukunft zur echten Alternative von Kupferoxid-Supraleitern machen kann, sind nicht nur die moderaten "Betriebstemperaturen" des Materials, sondern auch die geringen Kosten der Herstellung.
Ob sich die in Seattle entfachte Begeisterung jetzt in konkurrenzfähige Applikationen und Produkte umwandeln lässt, wird die Zukunft weisen. Einiges spricht dafür.
Auf dem Los-Alamos-Archiv lassen sich die letzten Ergebnisse zum Thema nachlesen.
Superconductivity Group Home Page
Department of Physics der Princeton University
Eine neue Generation effektiver Supraleiter?
Ein neues Material namens Magnesiumdiborid soll in Zukunft innovative Supraleittechnologien ermöglichen, so japanische Wissenschaftler der Universität Tokyo.
Supraleiter verlieren ihren Widerstand gegenüber elektrischem Strom unterhalb einer kritischen Temperatur. Jun Akimitsu und seinen Kollegen fanden nun in Magnesiumborid (MgB2) einen Stoff, der bei minus 234 Grad Celsius Supraleitfähigkeit entwickelt. Das stellt einen wesentlichen Fortschritt im Vergleich zu derzeit verfügbaren Komponenten dar.
Supraleitende Materialien
1911 von H. Kamerlingh Onnes entdeckte Eigenschaft mancher Metalle (Blei, Quecksilber) und Legierungen (Sammelbezeichnung Supraleiter), in der Nähe des absoluten Nullpunkts dem elektrischen Strom keinen Widerstand mehr entgegenzusetzen. Wird beispielsweise in einer supraleitenden Drahtschleife ein Strom induziert, so fließt er nach dem Ausschalten des Primärstromkreises noch viele Stunden lang. Der Übergang vom normalen zum supraleitenden Zustand erfolgt sehr plötzlich bei einer für jeden Stoff bestimmten Sprungtemperatur (bis zur Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter 1986 unter 23,3 K, danach bis zu 133,5 K). Bei diesem Übergang ändern sich auch andere physikalische, z. B. die magnetischen Eigenschaften in ungewöhnlicher Weise.
Kleine Ursache - große Wirkung
Vergangene Experimente haben gezeigt, dass eine geringfügige Veränderung in der Konstruktion von supraleitenden Materialien schon wesentliche Auswirkungen auf die Temperaturschwelle für Supraleitfähigkeit haben kann.
Der neue Stoff Magensiumborid (MgB2) verspricht laut den Wissenschaftlern der Universität Tokyo neue Generationen von Supraleitern, die auch ökonomisch verwertbar sind.
Einsatz in Teilchenbeschleunigern
Die Synthese organischer Makromoleküle, die bei Raumtemperatur noch supraleitend sind, scheint nicht ausgeschlossen. Nach der BCS-Theorie (von J. Bardeen, L. Cooper und J. R. Schrieffer 1957 entwickelt; Physiknobelpreis 1972) bilden je zwei Leitungselektronen eines Metalls unterhalb einer bestimmten tiefen Temperatur sog. Cooper-Paare. Diese Elektronenpaare können sich frei durch das Metallgitter bewegen, d. h., der elektrische Widerstand verschwindet. Steigt die Temperatur an, dann werden die Paare wieder getrennt. Die einzelnen Elektronen sind zu normalen Leitungselektronen geworden; der elektrische Widerstand tritt wieder auf. Die BCS-Theorie erklärt viele Eigenschaften der Supraleiter, die (z. B. in Großrechenanlagen und Teilchenbeschleunigern) immer mehr Verwendung finden.
Mehr zu Hochtemperatur-Supraleitern
"Es existiert eine große Chance, dass supraleitende Komponenten aus Magnesiumborid spezifische stromleitende Eigenschaften anzeigen können", so Bob Cava von der Princeton University über die perspektiven des neuen Supraleiters im Nature Magazine.