Supraleiter auf dem Sprung zu höheren Temperaturen

Elektronenpärchen auf weicher Matratze

<p>Abb. C: In der klassischen Supraleitung entwickelt das Kristallgitter bei tiefenTemperaturen Eigenschaften wie eine weiche Matratze. Die Elektronen rollen sozusagen in einer Kuhle zusammen und bil­den „Cooper-Paare" (rechts). Die Cooper-Paare sorgen zusam­men für den verlustfreien Stromtransport. Diesen Mechanismus beschreibt die BCS-Theorie.</p> Bild vergrößern

Abb. C: In der klassischen Supraleitung entwickelt das Kristallgitter bei tiefenTemperaturen Eigenschaften wie eine weiche Matratze. Die Elektronen rollen sozusagen in einer Kuhle zusammen und bil­den „Cooper-Paare" (rechts). Die Cooper-Paare sorgen zusam­men für den verlustfreien Stromtransport. Diesen Mechanismus beschreibt die BCS-Theorie.

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 kollektives Zusammenspiel zwischen Elektronen und Atomen.

Elektrische Leitung beruht auf einer Eigenschaft von Metallen, die man ihnen gar nicht ansieht: Die Atome des Metalls bilden eine regelmäßige räumliche Struktur, ein Kristallgitter. Dabei sind nicht alle Elektronen an Atome gebunden, sondern einige von ihnen können sich frei in dem Kristallgitter bewegen und so einen elektrischen Strom bilden. In einem normal leitenden Metall stoßen sie allerdings unterwegs auf Hindernisse, die den elektrischen Widerstand verursachen. Ein Hindernis sind die anderen Elektronen, denn als elektrisch gleich geladene Teilchen stoßen sie sich stark voneinander ab. Für weitere Hindernisse sorgen alle Störungen einer idealen Ordnung im Kristallgitter. Dazu zählen Kristallfehler, aber auch die permanente Wärmebe­wegung der Atome, die ständig um ihre Ruheposition im Gitter schwingen.

Dieses thermische Schwingen der Atome wird allerdings bei klassischen Supraleitern 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 (Abb. C). Auf ähnliche Weise binden die weichen Gitterschwingungen immer zwei Elektronen zu einem Paar zusammen, obwohl sich die beiden eigentlich stark abstoßen. Leon Cooper kam in einer überfüllten U-Bahn auf die entscheidende Idee, dass Elektronenpärchen die Supraleitung tragen. Deswegen heißen sie Cooper-Paare. Aber warum sind sie so wichtig?

In der merkwürdigen Welt der Quantentheorie gibt es zwei Sor­ten von Teilchen, die sich gegensätzlich verhalten: Fermionen und Bosonen. Ein Fermion ist gewissermaßen der Individualist, denn es duldet kein zweites Fermion im gleichen Quantenzu­stand. Bosonen sind dagegen 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 fahren wollen. Wenn Hindernisse auftre­ten, reagiert jeder Autofahrer individuell. Das führt zu Reibung im Ablauf und im Extremfall zu Stau. Die Cooper-Paare verhalten sich dagegen wie Bosonen: Sie sind gesellig und fahren alle gemeinsam in einem Zug. So 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.

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