mini|Ein Magnet schwebt über einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Hochtemperatursupraleiter (ca. −197 °C)mini|Ein keramischer Hochtemperatursupraleiter schwebt über Dauermagneten
Supraleiter sind Materialien, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten der sogenannten Sprungtemperatur praktisch Null wird. Außerdem sind Supraleiter auch perfekt diamagnetisch. Die Supraleitung wurde 1911 von Heike Kamerlingh Onnes, einem Pionier der Tieftemperaturphysik, entdeckt. Sie ist ein makroskopischer Quantenzustand.
Viele Metalle, aber auch andere Materialien sind Supraleiter. Die Sprungtemperatur – auch „kritische Temperatur“ Tc genannt – ist für die meisten Supraleiter sehr niedrig; um Supraleitung zu erreichen, muss das Material im Allgemeinen mit verflüssigtem Helium (Siedetemperatur −269 °C bzw. 4 K) gekühlt werden. Nur bei den Hochtemperatursupraleitern genügt zur Kühlung verflüssigter Stickstoff (Siedetemperatur −196 °C bzw. 77 K).
Im supraleitenden Zustand tritt als Folge des perfekten Diamagnetismus der Meißner-Ochsenfeld-Effekt auf, d. h. das Innere des Materials bleibt bzw. wird frei von elektrischen und magnetischen Feldern. Ein elektrisches Feld würde durch die ohne Widerstand beweglichen Ladungsträger sofort abgebaut werden. Magnetfelder werden durch den Aufbau entsprechender Abschirmströme an der Oberfläche verdrängt, die mit ihrem eigenen Magnetfeld das von außen eindringende Magnetfeld kompensieren. Ein nicht zu starkes Magnetfeld dringt nur etwa 100 nm weit in das Material ein; diese dünne Schicht trägt die Abschirm- und Leitungsströme.
Der Stromfluss durch den Supraleiter senkt die Sprungtemperatur. Die Sprungtemperatur sinkt auch, wenn ein äußeres Magnetfeld anliegt. Überschreitet das Magnetfeld einen kritischen Wert, die kritische Feldstärke Bc, so beobachtet man je nach Material verschiedene Effekte. Bricht die Supraleitung schlagartig zusammen, spricht man von einem Supraleiter erster Art oder vom Typ I. Supraleiter zweiter Art dagegen (Typ II) haben zwei kritische Feldstärken, Bc,1 und Bc,2, ab der niedrigeren beginnt das Feld in Form von sogenannten Flussschläuchen einzudringen, bei der höheren bricht die Supraleitung zusammen. In dem Bereich dazwischen dringt das Magnetfeld in Form der mikroskopisch feinen Schläuche zunehmend in den Leiter ein. Der magnetische Fluss in diesen Flussschläuchen ist quantisiert, als Reaktion auf ein erhöhtes Feld steigt die Dichte der Schläuche. Supraleiter vom Typ II sind durch ihre hohe Stromtragfähigkeit und das vergleichsweise hohe obere kritische Feld Bc,2 interessant für technische Anwendungen.
Technische Anwendungen der Supraleitung sind die Erzeugung starker Magnetfelder – für Teilchenbeschleuniger, Kernfusionsreaktoren, Magnetresonanztomographie, Levitation – sowie Mess- und Energietechnik.
Einteilung Von der großen Vielzahl verschiedener Supraleiter, die z. B. in 32 verschiedene Klassen eingeteilt wurden, sind insbesondere die zuerst entdeckten metallischen Supraleiter und die technisch bedeutenden A15-Phasen sowie die keramischen Hochtemperatursupraleiter bedeutend.
Als erste unkonventionelle Supraleiter, die schwer oder gar nicht mit der BCS-Theorie in Einklang zu bringen sind, wurden 1979 Schwere-Fermionen-Supraleiter entdeckt (Frank Steglich).
Metallische Supraleiter Supraleitung wurde 1911 von Heike Kamerlingh Onnes kurz nach seiner Entdeckung der Heliumverflüssigung bei Messungen am Metall Quecksilber entdeckt. Dieser damals im Allgemeinen noch unbekannte Effekt wurde zunächst nur bei extrem tiefen Temperaturen unter 4,2 K beobachtet. Magnesiumdiborid hat mit 39 K die höchste Sprungtemperatur unter den metallischen Supraleitern bei Atmosphärendruck.Andrea Naica-Loebell: Neuer Supraleiter Magnesiumdiborid. Telepolis, 27. Februar 2001, abgerufen am 15. Juli 2014. Dies beschränkt den Einsatz metallischer Supraleitung auf relativ wenige Anwendungen, denn die Kühlung erfordert flüssiges Helium und ist damit sehr aufwendig und teuer.
Metallische Supraleiter haben jedoch gegenüber den folgenden Klassen den großen Vorteil, dass man daraus leicht Drähte formen kann, wie sie beispielsweise zur Konstruktion von Spulen für die Erzeugung sehr starker Magnetfelder notwendig sind. Die Eigenschaften metallischer Supraleiter werden durch die BCS-Theorie erklärt.
A15-Phasen Die in den 1950er Jahren entdeckten A15-Phasen, vor allem Nb3Sn, sind insbesondere für Anwendungen bedeutend, die starke Magnetfelder benötigen.
Hydride unter hohem Druck als Hochtemperatursupraleiter Konventionelle (metallische) Supraleiter unter hohem Druck und mit hohen Sprungtemperaturen wurden bei verschiedenen Hydriden gefunden. Im Jahr 2015 wurde von Mikhail Eremets und seinen Kollegen am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz berichtet, dass Schwefelwasserstoff H2S unter hohen Drücken (100–300 GPa) zu einem metallischen Leiter wird, der eine Sprungtemperatur von −70 °C (= 203 K) aufweist. 2019 wurde von der Gruppe von Eremets bei dem Lanthanhydrid LaH10 unter hohem Druck (170 GPa) eine Sprungtemperatur von etwa 250 K (≈ −23 °C) gemessen; es ist damit das Material mit der höchsten bekannten Sprungtemperatur.
Die Arbeiten sind inzwischen kritisiert worden. Ein wichtiges Merkmal der Supraleitung, der Meissner-Effekt, in den Hochdruckexperimenten über eine Änderung der magnetischen Suszeptibilität gemessen, ist nach J. E. Hirsch und F. Marsiglio fehlinterpretiert worden.Hirsch, Marsiglio, Absence of magnetic evidence for superconductivity in hydrides under high pressure, Physica C, Band 584, 2021, S. 1353866, Arxiv Eine Arbeit von 2021 in Nature wurde 2022 sogar nach Kritik zurückgezogen.Eric Hand Something is seriously wrong’: Room-temperature superconductivity study retracted, science.org, 26. September 2022
2023 wurde eine Arbeit veröffentlicht, die von einem Stickstoff-dotiertem Lutetium-Hydrid berichtet, das bei einer Temperatur von bis zu 21 °C und einem Druck von 10 kbar supraleitend wird. Auch zu dieser Arbeit wurden Zweifel geäußert.Manfred Lindinger: Sensation oder Fake? : Raumtemperatur-Supraleiter unter Druck, 6. Juli 2023
Keramische Hochtemperatursupraleiter mini|Yttrium-Barium-Kupferoxid-Supraleiter
Als Hochtemperatursupraleiter (HTSL) werden Materialien bezeichnet, deren Sprungtemperatur über 23 K liegt, der höchsten Sprungtemperatur der konventionellen, metallischen (Legierungs-)Supraleiter. Diese Klasse von keramischen supraleitenden Cupraten mit besonders hohen Sprungtemperaturen wurde erst 1986 von Bednorz und Müller entdeckt, die dafür 1987 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden.
Für die Technik besonders interessant sind HTSL, die mit einer Sprungtemperatur von über 77 K (Siedetemperatur von Stickstoff) eine kostengünstige Kühlung ermöglichen. Der bekannteste Vertreter ist das Yttriumbariumkupferoxid mit der Formel YBa2Cu3O7-δ, das auch als YBaCuO, YBCO oder 123-Oxid bezeichnet wird. Supraleitfähigkeit wird für δ = 0,05 bis 0,65 beobachtet.
Die Stromleitung dieser Materialien erfolgt in getrennten Strompfaden und ist richtungsabhängig. Bisher ist ungeklärt, auf welchen physikalischen Grundlagen die Stromleitung in den HTSL beruht.
Der technische Einsatz ist wegen der Sprödigkeit des Keramikmaterials schwierig. Trotzdem ist es gelungen, ein biegsames Leitermaterial daraus herzustellen, indem der keramische Werkstoff in Röhren aus Silber gefüllt wurde, die dann zu flexiblen Bändern ausgewalzt wurden.A. Pawlak: Supraleitung ins Stadtzentrum. Physik-Journal Band 13 (2014), Heft 6, S. 6.
+Tc einiger keramischer Hochtemperatursupraleiter Substanz Sprungtemperatur YBa2Cu3O7 93 K −180 °C Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110 K −163 °C HgBa2Ca2Cu3O8 133 K −140 °C Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33(momentaner Rekordhalter bei Standarddruck, noch nicht durch einezweite unabhängige Forschergruppe reproduziert und publiziert) 138 K −135 °C
Eisenhaltige Hochtemperatursupraleiter +Tc einiger eisenhaltiger Hochtemperatursupraleiter Substanz Sprungtemperatur LaO0.89F0.11FeAs 26 K −247 °C LaO0.9F0.2FeAs 28,5 K −244,6 °C CeFeAsO0.84F0.16 41 K −232 °C SmFeAsO0.9F0.1 43 K −230 °C NdFeAsO0.89F0.11 52 K −221 °C GdFeAsO0.85 53,5 K −219,6 °C SmFeAsO≈ 0.85 55 K −218 °C Eine völlig neuartige und unerwartete Klasse von HochtemperatursupraleiternBjörn Gojdka: . DESY – Welt der Physik, Hamburg, 22. Juli 2009, abgerufen am 24. November 2009.Rainer Scharf: . pro-physik.de, 29. Januar 2009, abgerufen am 24. November 2009. entdeckte der Japaner Hideo Hosono mit Kollegen im Jahr 2008: Verbindungen aus Eisen, Lanthan, Phosphor und Sauerstoff können supraleitend sein. Durch die Wahl anderer Beimischungen, wie Arsen, lässt sich die Sprungtemperatur von ursprünglich 4 K auf derzeit (2011) 56 K steigern.Von der Alchimie zur Quantendynamik: Auf der Spur von Supraleitung, Magnetismus und struktureller Instabilität in den Eisenpniktiden. Max-Planck-Gesellschaft, Forschungsbericht 2011 – Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe, abgerufen am 29. Juli 2011. Nach den Pniktogenen Phosphor und Arsen werden diese Supraleiter Eisenpniktide genannt.
Überraschend war der Anteil an Eisenatomen, weil jedes bekannte supraleitende Material durch ausreichend starke Magnetfelder normalleitend wird. Diese starken internen Magnetfelder könnten nun sogar Voraussetzung der Supraleitung sein. Das Rätselraten über die physikalischen Grundlagen ist dadurch noch größer geworden. Bisher steht nur fest, dass der Stromfluss durch Paare von Elektronen getragen wird, wie in der BCS-Theorie beschrieben. Welcher Effekt aber diese Cooper-Paare verbindet, ist unklar. Sicher scheint, dass es sich nicht – wie bei metallischen Supraleitern – um eine Elektron-Phonon-Wechselwirkung handelt.
Graphen Ein Forschungsteam unter Leitung von Pablo Jarillo-Herrero am Massachusetts Institute of Technology hat 2017 die supraleitende Fähigkeit von Graphen nachgewiesen, wobei zwei wabenartige Monolagen von Kohlenstoffatomen im Winkel von 1,1 Grad übereinander gelagert, stark gekühlt und mit einer kleinen elektrischen Spannung versehen wurden. Vorhergesagt wurde der Effekt zuvor von Allan H. MacDonald und Rafi Bistritzer. Jarillo-Herrero, MacDonald und Bistritzer erhielten dafür 2020 den Wolf-Preis in Physik.
Zusammenhang mit Bose-Einstein-Kondensat 2020 berichteten Forscher über die Beobachtung eines supraleitenden Bose-Einstein-Kondensats (BEK), und dass es einen „fließenden Übergang zwischen“ BEK und BCS-Regimes zu geben scheint.
Metallische Supraleiter bei extrem tiefen Temperaturen + Beispiele metallischer Supraleiter Substanz Sprungtemperatur (K) (°C) Wolfram 0,015 −273,135 Gallium 1,083 −272,067 Aluminium 1,175 −271,975 Quecksilber 4,154 −268,996 Tantal 4,47 −268,68 Blei 7,196 −265,954 Niob 9,25 −263,9 AuPb 7,0 −266,15 Technetium 7,77 −265,38 MoN 12,0 −261,15 PbMo6S8 15 −258,15 K3C60 19 −254,15 Nb3Ge 23 −250,15 MgB2 39 −234,15metallisch H2S 203 −70,15
Je nach ihrem Verhalten im Magnetfeld unterscheidet man Supraleiter vom Typ I und Typ II, auch Supraleiter 1. und 2. Art genannt.
Supraleiter 1. Art