Supraleitung

Jeder normale Leiter hat einen Widerstand, auch Kupfer und Silber. Kühlt man aber bestimmte Stoffe unter eine materialtypische Temperatur ab, verschwindet ihr Widerstand plötzlich vollständig – nicht nur fast, sondern messbar exakt null. Ein einmal angeworfener Strom kreist in einem supraleitenden Ring dann jahrelang, ohne schwächer zu werden. Dieses Phänomen heißt Supraleitung; es ist ein makroskopisch sichtbarer Quanteneffekt.

Entdeckung und Sprungtemperatur

Heike Kamerlingh Onnes kühlte 1911 in Leiden Quecksilber mit flüssigem Helium ab. Bei etwa 4,2 K (−269 °C) fiel der Widerstand schlagartig unter die Messgrenze. Die Temperatur, bei der dieser Übergang stattfindet, heißt Sprungtemperatur oder kritische Temperatur T_c. Für die Entdeckung – damals ohne praktischen Nutzen, aber im Widerspruch zu den gängigen Vorstellungen vom Widerstand bei tiefen Temperaturen – erhielt Kamerlingh Onnes 1913 den Physik-Nobelpreis.

Oberhalb von T_c verhält sich das Material wie ein gewöhnlicher Leiter, oft sogar wie ein recht schlechter: Blei, Niob oder Quecksilber leiten bei Raumtemperatur deutlich schlechter als Kupfer. Kupfer, Silber und Gold werden dagegen überhaupt nicht supraleitend.

Mehr als Widerstand null: der Meißner-Effekt

1933 entdeckten Walther Meißner und Robert Ochsenfeld, dass ein Supraleiter ein äußeres Magnetfeld aus seinem Inneren verdrängt. An der Oberfläche fließen dazu Abschirmströme, deren Feld das äußere Feld im Inneren genau aufhebt. Der Supraleiter ist damit ein idealer Diamagnet. Darauf beruht das bekannte Experiment, bei dem ein Magnet über einer gekühlten Supraleiterscheibe schwebt.

Supraleitung bricht zusammen, wenn eine von drei Grenzen überschritten wird: die Sprungtemperatur T_c, die kritische Flussdichte B_c oder die kritische Stromdichte J_c. Technisch wichtige Supraleiter (Typ II) lassen ein starkes Feld teilweise in Form feiner Flussschläuche eindringen und bleiben trotzdem supraleitend – nur deshalb sind Magnete mit vielen Tesla möglich. Mehr zu den Feldgrößen findest du unter Magnetische Größen und Einheiten.

Wie Supraleitung entsteht

Die Erklärung für klassische Supraleiter lieferten Bardeen, Cooper und Schrieffer 1957 (BCS-Theorie). Vereinfacht: Ein Elektron verformt beim Durchqueren das Atomgitter leicht, und diese Verformung zieht ein zweites Elektron an. So bilden sich Cooper-Paare aus zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin. Diese Paare verhalten sich nicht mehr wie einzelne Elektronen, die sich nach dem Pauli-Prinzip aus dem Weg gehen müssen, sondern können alle denselben quantenmechanischen Zustand einnehmen. Sie bewegen sich gemeinsam durch das Gitter, ohne einzeln gestreut zu werden – und ohne Streuung gibt es keinen Widerstand. Hintergründe dazu stehen unter Quantenphysik für Elektroniker.

1986 fanden Georg Bednorz und Alex Müller bei IBM Zürich keramische Kupferoxide, die schon bei rund 35 K (etwa −238 °C) supraleitend wurden – damals ein Rekord. Schon 1987 bekamen die beiden dafür den Nobelpreis. Im selben Jahr überschritt YBCO die 77 K des flüssigen Stickstoffs – ein großer praktischer Schritt, denn Stickstoff ist billig und einfach zu handhaben. Warum diese Hochtemperatur-Supraleiter funktionieren, ist bis heute nicht vollständig verstanden. Ein Supraleiter bei Raumtemperatur und Normaldruck ist trotz wiederkehrender Meldungen bisher nicht bestätigt.

Technisch haben die Keramiken einen Haken: Sie sind spröde und lassen sich nicht wie Kupfer zu Draht ziehen. Für Kabel trägt man das supraleitende Material deshalb als dünne Schicht auf flexible Metallbänder auf und wickelt diese Bänder um einen hohlen Kern, durch den flüssiger Stickstoff strömt.

Anwendungen

• Magnetresonanztomografie (MRT): Die Spulen aus NbTi-Draht erzeugen 1,5 bis 3 T und mehr. Einmal geladen, läuft der Strom im Dauerbetrieb ohne Netzteil weiter; nur das flüssige Helium muss gekühlt werden.
• Teilchenbeschleuniger: Der LHC am CERN lenkt die Teilchen mit über 1200 supraleitenden Dipolmagneten bei 1,9 K.
• SQUIDs: supraleitende Ringe mit Josephson-Kontakten, die winzigste Magnetfelder messen – etwa die Felder der Gehirnströme.
• Quantencomputer: Viele Qubits sind supraleitende Schaltkreise bei wenigen Millikelvin, siehe Quantentechnik.
• Magnetschwebebahnen: Supraleitende Spulen im Fahrzeug erzeugen starke Felder zum Schweben und Antreiben, so beim japanischen SCMaglev.
• Energietechnik: Supraleitende Kabel und Strombegrenzer wurden in Pilotprojekten erprobt – etwa ein 1 km langes Mittelspannungskabel in Essen (AmpaCity).

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