In der Welt der Quanten

In der merkwürdigen Welt der Quantentheorie gibt es zwei Sorten von Teilchen, die sich gegensätzlich verhalten: Fermionen und Bosonen. Ein Fermion ist gewissermaßen ein extremer Individualist, denn es duldet kein zweites Fermion im gleichen Quantenzustand. Bosonen sind dagegen besonders gesellig. Haben sich schon viele in einem Quantenzustand versammelt, dann drängen noch mehr dazu.

In einem normal leitenden Metall sind alle Elektronen Fermionen. Sie verhalten sich wie Autofahrer, die alle unbedingt allein im eigenen Auto einkaufen fahren wollen. Das Kristallgitter ähnelt einem Parkplatz vor dem Supermarkt, der nur eine begrenzte Anzahl von Stellplätzen bietet. Diese Zahl entspricht zwar – anders als im wahren Leben – exakt der Anzahl der Elektronen. Aber jeder neu eintreffende Kunde muss ziemlich suchen, bis er endlich einen freien Platz für sein Auto findet. Das sorgt für Reibung im Ablauf.

Die Cooper-Paare verhalten sich dagegen wie Bosonen: Sie sind extrem sozial. Sie tun sich zu einer Fahrgemeinschaft zusammen und steigen alle in ein einziges Auto ein (weil sie punktförmig sind, passen sie locker alle hinein). So brauchen sie zusammen nur noch einen einzigen Parkplatz. Mehr noch: In ihrer Fahrgemeinschaft reagieren sie auf alle Einflüsse als Einheit. Das hat zur Folge, dass die Cooper-Paare wie eine zusammenhängende Wolke völlig reibungslos durch das Kristallgitter flutschen können.

„In einem Supraleiter reagieren also alle Leitungselektronen in einem Kollektiv“, erklärt Bernhard Keimer. Er ist Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart und forscht mit seinem Team an Hochtemperatur-Supraleitern. Gerade diese fantastischen neuen Supraleiter bescherten Kamerlingh Onnes’ Erben ein neues Problem: Die bewährte BCS-Theorie versagt bei ihnen. Wegen der hohen Temperaturen scheidet die weich werdende Kristallgitter-Matratze als Kupplerin für die Cooper-Paare aus. Dafür wäre die thermische Bewegung der Atome zu heftig. Die Physiker haben aber beobachtet, dass die Elektronen auch in den Hochtemperatur-Supraleitern Cooper-Paare bilden. Es muss also einen anderen Mechanismus geben, der sie zusammenbringt.