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Wie funktioniert Supraleitung?

 

Antwort

3_Foto Schwebe-Experiment

Foto: Karlsruher Institut für Technologie

Der Effekt der Supraleitung tritt bei einigen Metallen, wie beispielsweise Quecksilber oder Blei bei sehr tiefen Temperaturen, d.h. nahe dem absoluten Nullpunkt auf. Die charakteristischen Eigenschaften der Supraleitung sind der verschwindende elektrische Widerstand verbunden mit einem „eigenstabilen“ Magnetfeld um den Supraleiter herum. Das Phänomen lässt sich mit der von Bardeen, Cooper und Schrieffer 1957 aufgestellten BCS-Theorie erklären. Ausgangspunkt ist die Kristallgitterstruktur der Metalle. In diesem Gitter sorgen die Elektronen für den Zusammenhalt der Atome. Die Elektronen können sich von den Atomen lösen, die positiv geladen zurück bleiben, und relativ frei durch das Gitter bewegen – so leiten sie den elektrischen Strom. Unter „normalen“ Bedingungen stoßen die Elektronen auf ihrem Weg gegen viele Hindernisse – als elektrischen Widerstand bezeichnet. Ein Hindernis sind die anderen Elektronen, denn sie sind gleich geladen und stoßen sich ab. Ein anderes Hindernis ist die Wärmebewegung der Atome, das Kristall wackelt permanent. Je tiefer nun die Temperatur desto langsamer werden die Schwingungen. Aus dem Kristallgitter wird so etwas wie eine weiche Matratze, auf der unweigerlich zwei Elektronen zu einem Paar, dem „Cooper-Paar“, in einer Kuhle zusammenrollen. Nun als „Fahrgemeinschaften“ können sie völlig reibungslos durch das Kristallgitter reisen. Das genaue Phänomen lässt sich nur mit Hilfe der Quantentheorie erklären und würde hier zu weit führen. Spannend ist aber noch zu wissen, dass die BCS-Theorie nur für die klassischen Supraleiter greift. Wie die „Cooper-Paare“ in Hochtemperatur-Supraleitern entstehen, die gerade für die Anwendung so spannend sind, ist bis heute nicht geklärt.

Die Frage beantwortete Dr. Susann Beetz vom Ideen 2020-Team.