Hochtemperatursupraleiter

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Ein HTSL-Kristall vom Typ BSCCO, die beiden Linien im Hintergrund haben 2 mm Abstand.

Als Hochtemperatursupraleiter (HTSL) werden Materialien bezeichnet, deren Supraleitfähigkeit - anders als bei konventionellen Supraleitern - nicht durch die Elektron-Phonon-Wechselwirkung zustande kommt. Meistens handelt es sich nicht wie gewohnt um metallische, sondern um keramische Materialien. Zwar scheint gesichert, dass ebenfalls Paarbildung  (sog. „Cooper-Paare“) der Elektronen für die Supraleitung verantwortlich ist, jedoch tritt anstelle der konventionellen Singulett-Paarung vorwiegend d-Wellen-Paarung auf, was auf unkonventionelle elektronische Paarungsmechanismen schließen lässt. Die Ursache ist seit mehr als 25 Jahren ungeklärt.

Der Name rührt daher, dass Hochtemperatursupraleiter in der Regel signifikant höhere Sprungtemperaturen haben als konventionelle Supraleiter. Die Temperaturen liegen jedoch bei weniger als −140 °C - das entspricht +130 Kelvin, was um mehr als 100 °C höher ist als der Temperaturbereich der konventionellen Supraleiter. Das ist aber immer noch weit unter den im Alltag bekannten Temperaturen.

Geschichte

Aufbauend auf Arbeiten von Arthur W. Sleight bei DuPont, der bereits früher Supraleitung bei Keramik nachwies[1], hatten Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller seit 1983 am IBM Zurich Research Laboratory mit Perowskit-Strukturen experimentiert. Durch Austausch bestimmter Atome gelang es ihnen, den Abstand zwischen den Kupfer- und Sauerstoffatomen in ganzen Ebenen gezielt zu beeinflussen.

Bei der Substanz Lanthan-Barium-Kupferoxid (La1,85Ba0,15CuO4) entdeckten sie schließlich im April 1986 Supraleitung mit einer Sprungtemperatur von 35 K. Dieses Ergebnis veröffentlichten sie zunächst in der Zeitschrift für Physik, wo es aber - vor allem in den USA - nicht die gebührende Beachtung fand. Dann stellten sie ihre Untersuchungen im März 1987 auf der großen Frühjahrstagung der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft in New York vor. Jetzt wurde die Veröffentlichung als Sensation aufgenommen und in einer bis in die Nacht reichenden Sondersitzung zusammen mit anderen Ergebnissen diskutiert. In kürzester Zeit bestätigten weltweit mehrere Forschungseinrichtungen die Entdeckung. Bereits im Herbst 1987 erhielten Bednorz und Müller für ihre Entdeckung den Nobelpreis für Physik.

Parallel begann eine intensive Suche nach weiteren ähnlichen Substanzen mit noch höheren Sprungtemperaturen. Wichtige Meilensteine waren 1987 die Entdeckung des YBa2Cu3O7 mit 93 K und 1988 des Bi2Sr2Ca2Cu3O10 mit 110 K Sprungtemperatur, die beide mit kostengünstigem flüssigen Stickstoff im supraleitenden Zustand gehalten werden können. Den Rekord hält seit 2000 Hg0,8Tl0,2Ba2Ca2Cu3O8 mit 138 K.

Die technische Nutzbarmachung der Hochtemperatursupraleitung war von Beginn an eine wesentliche Triebkraft für die weitere Forschung. Sprungtemperaturen von über 77 K erlauben prinzipiell eine preiswerte Kühlung durch die Nutzung von flüssigem Stickstoff anstelle von Helium.

Auswahl bestätigter Supraleiter und gängiger Kühlmittel
Sprung-  bzw.
Siedetemperatur
in Kelvin
Material Stoffklasse
138 $ \mathrm{Hg_{12} Tl_3 Ba_{30} Ca_{30} Cu_{45} O_{127}} $ Hochtemperatursupraleiter mit Kupferoxid; besonders hohe Sprungtemperaturen
110 $ \mathrm{Bi_2 Sr_2 Ca_2 Cu_{3} O_{10}} $ (BSCCO)
92 $ \mathrm{YBa_2 Cu_3 O_7} $ (YBCO)
77 Flüssiger Stickstoff
45 $ \mathrm{SmFeAsO_{0.85}F_{0.15}} $ Niedertemperatursupraleiter mit Eisenarsenid (für Niedertemperatursupraleiter sind die Sprungtemperaturen ungewöhnlich hoch)
41 $ \mathrm{CeOFeAs} $
30 $ \mathrm{La_{2-x} Ba_{x} Cu O_{4}} $[2] Von Bednorz und Müller gefundener erster Hochtemperatursupraleiter mit Kupferoxid (noch relativ niedrige Sprungtemperatur)
18 $ \mathrm{Nb_3Sn} $[2] Technisch relevante
metallische Niedertemperatursupraleiter
9,2 $ \mathrm{NbTi} $[3]
4,21 Flüssiges Helium
4,15 $ \mathrm{Hg} $ (Quecksilber) [4] metallische Niedertemperatursupraleiter
1,09 $ \mathrm{Ga} $ (Gallium) [4]


Nutzung

Hauptartikel: Supraleiter

Anders als es die Sprungtemperaturen vermuten lassen, werden Hochtemperatursupraleiter bei Leistungsanwendungen oft bei Temperaturen weit unterhalb von 77 K betrieben. Grund ist die gegenseitige Abhängigkeit der möglichen Transportströme, der kritischen Feldstärke und der Temperatur. Mit Stickstoff gekühlte HTSL verschenken somit einen Großteil ihres Potenzials, da die relativ hohe Betriebstemperatur Feld- und Stromstärke einschränkt. Sollen die gleichen Leistungsdaten wie bei konventionellen Supraleitern, etwa Niob-Titan, erreicht werden, muss die Temperatur daher entsprechend abgesenkt werden.

In anderen Anwendungsfeldern, etwa der Messtechnik, können HTSL dagegen tatsächlich mit reiner Stickstoffkühlung auskommen. Bei SQUIDs, mit denen auch sehr kleine Magnetfeldänderungen gemessen werden können, wird dies bereits seit einiger Zeit praktiziert. Allerdings steigt mit zunehmender Temperatur auch grundsätzlich das Rauschen des Signals, weshalb beispielsweise auch ein bei Raumtemperatur supraleitendes Material nach heutiger Auffassung keine große Verbreitung in der Elektronik finden würde. Bei Hochtemperatur-SQUIDs ist das höhere Rauschen gegenüber der älteren Helium-Technik zwar ebenso vorhanden und unerwünscht, wird aber wegen der Kosten- und Handhabungsvorteile von Stickstoffkühlungen oft in Kauf genommen.

Der Haupt-„Pferdefuß“ der Hochtemperatursupraleiter ist aber letztlich die Sprödigkeit des nichtmetallischen Materials.

Theorie

Derzeit ist die Ursache der hohen Sprungtemperaturen nicht bekannt. Aufgrund ungewöhnlicher Isotopeneffekte kann jedoch ausgeschlossen werden, dass die Elektronenpaarbildung wie bei der konventionellen Supraleitung ausschließlich durch die konventionelle Elektron-Phonon-Wechselwirkung zustande kommt. Die BCS-Theorie ist jedoch weiterhin anwendbar, da diese Theorie die Art der Wechselwirkung offen lässt und letztlich als eine Art „Molekularfeldnäherung“ fungiert. Ähnlich wie in der Theorie der kritischen Phänomene bei Phasenübergängen 2. Ordnung, beobachtet man aber bei vielen Größen Abweichungen von gewohnten Potenzgesetzen.

Statt der Elektron-Phonon-Wechselwirkung vermutet man hier als Ursache der Supraleitung antiferromagnetische Elektron-Elektron-Korrelationen, die durch die spezielle Gitterstruktur der keramischen Supraleiter zu einer anziehenden Wechselwirkung benachbarter Elektronen und damit zu einer Paarbildung ähnlich wie bei konventionellen Cooper-Paaren der BCS-Theorie führen. [5] Allerdings lassen sich mit diesen Wechselwirkungen die Isotopeneffekte noch schwieriger erklären. Alternativ gibt es auch eine Verallgemeinerung der BCS-Theorie nach Gorkow (GLAG-Theorie) oder gänzlich neue Erklärungsansätze wie das Bisolitonen-Modell.

Alle HTSL mit wirklich hohen Sprungtemperaturen zeigen charakteristische Anomalien in den elektrischen Eigenschaften und den Wärmeleitfähigkeiten bereits im normalleitenden Zustand: Der elektrische Widerstand steigt auch bei tiefen Temperaturen linear mit der Temperatur und das Wiedemann-Franz-Gesetz ist auch im mittleren T-Bereich erfüllt. Normale Metalle zeigen ein potenzabhängiges Temperaturverhalten des Widerstands, und das WF-Gesetz ist im mittleren T-Bereich nicht erfüllt. Bislang gibt es keine Theorie, die diese Anomalien und die Supraleitung in den Cupraten gleichzeitig erklären kann.[6]

Auch konnte bisher weder experimentell gezeigt noch theoretisch widerlegt werden, ob Supraleitung bei Zimmertemperatur (20 °C, ca. 293 K) möglich ist. Frühere theoretische Abschätzungen einer „maximalen Sprungtemperatur“ haben sich nach der Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter als falsch herausgestellt.

Literatur

  • Rainer Wesche: High-temperature superconductors – materials, properties and applications. Kluwer, Boston 1998, ISBN 0-7923-8386-9.
  • U. Balu Balachandran: High-temperature superconductors. MRS, Warrendale 2001, ISBN 1-55899-569-2.
  • Antonio Bianconi, et al.: Symmetry and heterogeneity in high temperature superconductors. Springer, Dordrecht 2006, ISBN 978-1-4020-3988-1.
  • Gernot Krabbes: High temperature superconductor bulk materials. Wiley-VCH, Weinheim 2006, ISBN 3-527-40383-3.
  • Amit Goyal: Second-generation HTS conductors. Kluwer, Boston 2005, ISBN 1-4020-8118-9.
  • Andrei Mourachkine: High-temperature superconductivity in cuprates – the nonlinear mechanism and tunneling measurements. Kluwer, Dordrecht 2002, ISBN 1-4020-0810-4.
  • P. Vincenzini: Science and engineering of HTC superconductivity. Techna, Faenza 1999, ISBN 88-86538-24-3.
  • Andrei Mourachkine: Room-temperature superconductivity. Cambridge Internat. Science Publ., Cambridge 2004, ISBN 1-904602-27-4.

Weblinks

  • Ludwig J. Gauckler: Kap. 8 „Supraleitung“. In: Ingenieurkeramik III. Funktionskeramik. Eidgenössische Technische Hochschule Zürich Professur für nichtmetallische Werkstoffe, abgerufen am 24. Mai 2009 (Vorlesungsskript, PDF, 6,2 MB).
  • Alex Malozemoff, Jochen Mannhart, Douglas Scalapino: Hochtemperatur-Supraleitung in der Technik: 20 Jahre Hochtemperatur-Supraleitung. In: Physik in unserer Zeit. 37 (4): 162–169, 2006 (Zusammenfassung)
  • Hochtemperatur-Supraleiter (BINE Informationsdienst)

Einzelnachweise und Fußnoten

  1.  Arthur W. Sleight, J. L. Gillson, P. E. Bierstedt: High-temperature superconductivity in the BaPb1-xBixO3 systems. In: Solid State Communications. 17, Nr. 1, 1975, S. 27–28, doi:10.1016/0038-1098(75)90327-0.
  2. 2,0 2,1 R. Nave: Superconductivity Examples. HyperPhysics, abgerufen am 24. Mai 2009 (englisch).
  3.  R. Flükiger, S. Y. Hariharan, R. Küntzler, H. L. Luo, F. Weiss, T. Wolf, J. Q. Xu: Nb-Ti. In: SpringerMaterials – The Landolt-Börnstein Database. 21b2: Nb-H – Nb-Zr, Nd – Np, 1994, doi:10.1007/10423690_53.
  4. 4,0 4,1  Charles Kittel: Introduction to Solid State Physics. 7. Auflage. Wiley, New York 1996, ISBN 978-0471111818.
  5. Statt der sog. "Singulett-Paare" der früheren Vorstellungen (Kugelsymmetrie) hat man jetzt vielleicht eine Art "d-Wellen-Paarung", analog zur Funktion $ \Delta (\mathbf k)\propto (k_x^2-k_y^2) $
  6.  C.C. Tsuei, T. Doderer: Charge confinement effect in cuprate superconductors: an explanation for the normal-state resistivity and pseudogap. In: The European Physical Journal B – Condensed Matter and Complex Systems. 10, Nr. 2, 1999, S. 257–262, doi:10.1007/s100510050853.

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