Elektronenpärchen auf weicher Matratze

Das Phänomen der klassischen oder konventionellen Supraleiter lässt sich mit der von John Bardeen, Leon Cooper und Robert Schrieffer 1957 aufgestellten BCS-Theorie schlüssig erklären. Dafür erhielten die drei US-Amerikaner von der University of Illinois in Urbana 1972 den Nobelpreis in Physik. Es handelt sich dabei um ein raffiniertes, kollektives Zusammenspiel zwischen Elektronen und Atomen.

Jede Form von elektrischer Leitung beruht auf einer Eigenschaft von Metallen, die man ihnen gar nicht ansieht: Sie bestehen aus winzigen Kristallen. In den Kristallen haben sich die Atome zu einem regelmäßigen räumlichen Gitter zusammengeschlossen. Wie bei den Molekülen sorgen die Elektronen für den Kitt zwischen den Atomen. Bei Metallen bleiben dabei allerdings einige Elektronen übrig. Diese können sich von den Atomen lösen, relativ frei durch das Kristallgitter flitzen und so elektrische Ströme transportieren. In einem normal leitenden Metall stoßen sie allerdings unterwegs auf verschiedene Hindernisse, die den elektrischen Widerstand verursachen. Eines davon sind die anderen Elektronen, denn als elektrische gleich geladene Teilchen stoßen sie sich stark voneinander ab. Für weitere Hindernisse sorgen alle Abweichungen von der idealen Ordnung im Kristallgitter. Dazu zählen Kristallfehler, aber auch die permanente Wärmebewegung der Atome, die ständig um ihre Ruheposition im Gitter herum wackeln.

Das Kristallgitter aus positiv geladenen Atomen bindet die freien Elektronen zu einem Cooper-Paar zusammen - sie rollen wie auf einer weichen Matratze in einer Kuhle zusammen (BCS-Theorie).

Dieses thermische Schwingen der Atome wird allerdings bei klassischen Supraleitern vom Störfaktor zur entscheidenden Zutat. Bei tiefen Temperaturen schwingen die Atome immer langsamer. Das Kristallgitter nimmt die Elektronen nun auf wie ein weiches französisches Bett zwei Menschen: Die beiden rollen unweigerlich in einer gemeinsamen Kuhle zusammen. Auf ähnliche Weise binden die weichen Gitterschwingungen immer zwei Elektronen zu einem Paar zusammen, obwohl sich die beiden eigentlich stark abstoßen.

Dass diese Elektronen-Paare charakteristisch für die Supraleitung sind, haben die Physiker jahrzehntelang nicht erkannt. Auch Bardeen, Cooper und Schrieffer verzweifelten Mitte der 1950er-Jahre zunächst daran. Bis Leon Cooper eines Tages in eine überfüllte U-Bahn geriet. Als er die Menschen um sich herum beobachtete, kam ihm die zündende Idee von den Elektronenpärchen. Deswegen heißen sie „Cooper-Paare“. Aber warum sind sie so wichtig?