Der Infotext erklärt den Begriff „Topologischer Supraleiter“.

Links: Chrom hat mit insgesamt sechs Spin-ungepaarten Elektronen in den äußeren 4s- und 3d- Orbitalen eine besondere Elektronenkonfiguration. Der Spin ist in der Abbildung als Pfeil dargestellt. Durch die ungepaarten Spins entsteht ein permanentes magnetisches Moment, das Chromatome magnetisch macht.

Rechts: Ein Chromatom (orange) auf einer Niob-Oberfläche (grau) führt durch die Wechselwirkung der Spins dazu, dass lokal die supraleitenden Cooper-Paare (blau) aufgebrochen werden. An dieser Stelle bilden sich diskrete Zustände aus, hier durch eine Wellenfunktion dargestellt. Wenn mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops ein zweites Chromatom nahe an ein anderes gebracht wird, kommt es zunächst zur Wechselwirkung (rechts, Mitte) und dann zur Hybridisierung (rechts, unten) dieser Zustände.

© links: Küster F.; rechts: Küster, F. et al. Long range and highly tunable interaction between local spins coupled to a superconducting condensate. Nat Commun 12, 6722 (2021) // CC BY 4.0

Zwischen Spitze und Probe wird eine Spannung angelegt. Der messbare Tunnelstrom ermöglicht eine extrem präzise Positionierung der Spitze. Durch die Rückkopplung lässt sich im Konstanten-Strom-Modus eine topografische Karte der Probe mit atomarer Auflösung erstellen.

© F. Küster, MPI für Mikrostrukturphysik // CC BY-NC-SA 4.0

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© F. Küster, MPI für Mikrostrukturphysik

Forschende auf der ganzen Welt sind auf der Suche nach neuen Supraleitern. Diese besonderen Materialien können bei tiefsten Temperaturen Strom verlustfrei leiten und magnetisch zum Schweben gebracht werden. Während viele Forschende Supraleiter suchen, die diese Eigenschaften auch bei Raumtemperatur zeigen, gehen andere auf die Jagd nach topologischen Supraleitern. Denn die würden sich für wesentlich robustere Quantencomputer eignen.

Wie mit einem Greifarm liest Felix Küster mit der feinen Spitze seines Rastertunnelmikroskops ein Atom auf und zieht es über die Oberfläche des Supraleiters. An einer anderen Stelle legt er es gezielt ab. Nach und nach reiht er so Atome aneinander, erzeugt erst eine Kette, dann ein Gittermuster, das aussieht wie eine Tafel Schokolade. Felix Küster arbeitet als Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle. Dort ist das Rastertunnelmikroskop das Werkzeug seiner Wahl, um neuartige Supraleiter zu erforschen: „Mit dem Rastertunnelmikroskop kann ich mit Atomen Lego spielen und dadurch neuartige Materialien schaffen. So kann ich Quantenzustände manipulieren und auch genau untersuchen. Die Welt der Quanten wird also sichtbar und begreifbar.“

Den Tunneleffekt nutzen

Das Herzstück eines Rastertunnelmikroskops (Abb. A) ist eine extrem feine Spitze aus einem leitenden Material, beispielsweise aus Wolfram. Extrem fein bedeutet hier, dass idealerweise ein einzelnes Atom an der Spitze sitzt. Die Spitze wird mit höchster Präzision nur circa 500 bis 1.000 Pikometer (10 ^-12 Meter) über der Oberfläche der zu untersuchenden Probe positioniert. Diese Lücke ist so klein, dass nur wenige Atome zwischen Spitze und Probe passen würden. Ein menschliches Haar ist etwa 100.000-mal dicker. Daher ist es sehr wichtig, dass das Rastertunnelmikroskop vor Schwingungen geschützt wird. Andernfalls könnten bereits die Schritte eines Menschen, der auf dem Gang vorbei geht, zu Messfehlern führen. Dazu wird das Mikroskop selbst besonders konstruiert und abgeschirmt aufgebaut, aber auch das Labor und das Gebäude selbst müssen besondere Voraussetzungen erfüllen.

Abb. A: Rastertunnelmikroskop. Zwischen Spitze und Probe wird eine Spannung angelegt. Der messbare Tunnelstrom ermöglicht eine extrem präzise Positionierung der Spitze. Durch die Rückkopplung lässt sich im Konstanten-Strom-Modus eine topografische Karte der Probe mit atomarer Auflösung erstellen.
© F. Küster, MPI für Mikrostrukturphysik // CC BY-NC-SA 4.0

Zwischen der Spitze des Rastertunnelmikroskops und der Probe wird eine Spannung von typischerweise unter einem Volt angelegt. Die Stärke des Stroms, der dann gemessen werden kann, verrät, wie weit die Spitze von der Probenoberfläche entfernt ist. So kann die Probe auf atomarer Ebene untersucht werden. Damit das funktioniert, muss auch die Probe selbst elektrisch leitfähig sein. Doch da die Spitze die Probe nicht berührt, dürfte nach den Regeln der klassischen Physik eigentlich kein Strom fließen. Denn die nichtleitende Lücke stellt eine Potentialbarriere dar, bildhaft eine Wand, die für Elektronen nicht zu überwinden ist. Trotzdem lässt sich ein Strom messen. Die Erklärung liefert die Quantenphysik: In der Quantenphysik hat ein Elektron keine scharf definierte Position. Stattdessen lässt sich nur angeben, mit welcher Wahrscheinlichkeit es sich an einem bestimmten Ort aufhält. In Spitze und Probe haben die für den Stromfluss verantwortlichen freien Elektronen eine hohe Aufenthaltswahrscheinlichkeit, in der Lücke eine von Null. Doch die Aufenthaltswahrscheinlichkeit kann sich nicht abrupt ändern, sondern klingt an Grenzflächen exponentiell ab. Somit reicht sie sowohl von der Probe als auch von der Spitze aus ein Stück in die Lücke hinein. Ist der Abstand zwischen Spitze und Probe klein genug, überlappen die beiden abklingenden Aufenthaltswahrscheinlichkeiten und ein Elektron kann die Barriere durchdringen, ohne sie klassisch zu überwinden. Dieses Phänomen nennt man quantenmechanischen Tunneleffekt. Für ein einzelnes Elektron ist das Tunneln ein Zufallsereignis und lässt sich nicht vorhersagen. Für die große Zahl von Elektronen, die gemeinsam den Strom tragen, ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung jedoch deterministisch. Das Ergebnis: Bei konstantem Abstand fließt ein konstanter, messbarer Tunnelstrom. Er ist mit typischerweise unter einem Nanoampere verschwindend klein. Ihn zu messen ist technisch sehr aufwendig.

Der entstehende Tunnelstrom hängt dabei stark vom Abstand zwischen Spitze und Probenoberfläche ab. Steigt der Abstand, so sinkt der Strom exponentiell. Dieser Zusammenhang wird beim Rastertunnelmikroskop ausgenutzt, um Proben genau zu untersuchen. Dazu wird die Spitze Linie für Linie über die Probe gerastert, wobei die Höhe der Spitze über der Probenoberfläche kontinuierlich so angepasst wird, dass der Tunnelstrom konstant bleibt (Konstanter-Strom-Modus, Abb. A). Die dafür nötige Änderung der Höhe wird aufgezeichnet. So lässt sich eine topografische Karte der Probe erstellen, die Höhenunterschiede mit extrem feiner Auflösung darstellt und einzelne Atome abbilden kann. Felix Küster nutzt solche Messungen, um das Ausgangsmaterial für seine Experimente genau zu charakterisieren. Dafür startet er mit einer kleinen Platte aus Niob, einem grauglänzenden Schwermetall (Abb. B). Niob ist supraleitend und das schon ab Temperaturen unter 10 K (–263 °C). Das ist die höchste kritische Temperatur unter allen elementaren Metallen (s. TECHMAX 5). Für alle weiteren Experimente ist entscheidend, dass die Oberfläche des Niob-Kristalls auf atomarer Ebene sauber ist. Das ist gar nicht so einfach zu bewerkstelligen, denn Niob reagiert an der Oberfläche mit Sauerstoff und bildet eine robuste Oxidschicht. „Den Niob-Kristall sauber zu kriegen ist ein richtiges Handwerk, das wir erst perfektionieren mussten. Unter anderem muss er mehrfach auf über 2.000 °C erhitzt werden“, sagt Felix Küster. Wenn alles geklappt hat, zeigt sich unter dem Rastertunnelmikroskop eine Oberfläche, in der die einzelnen Atome klar geordnet vorliegen (Abb. B).

Abb. B: Elementarer Supraleiter Niob als Ausgangsmaterial. Links: Ein 7 mm × 7 mm großer Niob-Kristall, der exakt entlang einer bestimmten Kristallachse geschnitten wurde. Mitte: Der Niob-Kristall wird im Vakuum mehrmals auf über 2.000 °C erhitzt, um eine auf atomarer Ebene saubere Oberfläche zu erzeugen. Rechts: Aufnahme des sauberen Niob-Kristalls mit dem Rastertunnelmikroskop, blau zeigt höhere, weiß niedrige Regionen an; die einzelnen Atome werden deutlich sichtbar.
© F. Küster, MPI für Mikrostrukturphysik

Supraleiter designen

Mit dem sauberen Niob-Kristall hat Felix Küster Großes vor: Er möchte einen topologischen Supraleiter aus wenigen Atomen herstellen. Solche Supraleiter sind zwar theoretisch vorhergesagt und beschrieben, kommen aber nicht natürlich vor. Topologisch bedeutet hier, dass an den Rändern des Materials ein elektronischer Zustand existiert, der besonders geschützt ist und nicht durch eine lokale Störung verloren gehen kann. Gemeinsam mit weiteren Forschenden untersucht Felix Küster, ob er so einen topologischen Supraleiter erschaffen kann, indem er gezielt magnetische Atome auf der Oberfläche des Niob-Kristalls platziert. Dazu kühlt er das Niob mit flüssigem Helium auf 2 K (–271 °C) und dampft darauf anschließend geringste Mengen Chrom auf. Dabei treffen die Chromatome einzeln auf die extrem kalte Oberfläche des Niobs und frieren dort voneinander getrennt fest. Anschließend kühlt er das Material weiter auf 500 mK. Bei diesen Temperaturen ganz nahe am absoluten Nullpunkt ist Niob supraleitend. Die Elektronen liegen im Niob-Kristall dann als Cooper-Paare vor – zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin, die sich verlustfrei bewegen können (s. TECHMAX 5) .

Während Niob also supraleitend ist, sind die aufgedampften Chromatome magnetisch. Genau diese Kombination verspricht, der Schlüssel zur Entstehung topologischer Supraleiter zu sein. Der Magnetismus hat seinen Ursprung im Spin der Elektronen. Diese liegen in den äußeren Orbitalen der Chromatome einzeln, das heißt ungepaart, vor (Abb. C). Der Spin ist als Eigendrehimpuls der Elektronen eine quantenmechanische Eigenschaft mit zwei möglichen Zuständen. Diese Zustände werden oft als Pfeil nach oben bzw. unten dargestellt. Einzelne, diskrete Atomorbitale können maximal von zwei Elektronen besetzt werden. Und die müssen dann entgegengesetzte Spins aufweisen. Die Atomorbitale mit Spin-ungepaarten Elektronen führen zu einem permanenten magnetischen Moment, das wiederum mit dem Spin umliegender Elektronen wechselwirkt.

Abb. C: Magnetische Chromatome auf einem Supraleiter. Links: Chrom hat mit insgesamt sechs Spin-ungepaarten Elektronen in den äußeren 4s- und 3d- Orbitalen eine besondere Elektronenkonfiguration. Der Spin ist in der Abbildung als Pfeil dargestellt. Durch die ungepaarten Spins entsteht ein permanentes magnetisches Moment, das Chromatome magnetisch macht. Rechts: Ein Chromatom (orange) auf einer Niob-Oberfläche (grau) führt durch die Wechselwirkung der Spins dazu, dass lokal die supraleitenden Cooper-Paare (blau) aufgebrochen werden. An dieser Stelle bilden sich diskrete Zustände aus, hier durch eine Wellenfunktion dargestellt. Wenn mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops ein zweites Chromatom nahe an ein anderes gebracht wird, kommt es zunächst zur Wechselwirkung (rechts, Mitte) und dann zur Hybridisierung (rechts, unten) dieser Zustände.
© links: F. Küster; rechts: Küster, F. et al. Long range and highly tunable interaction between local spins coupled to a superconducting condensate. Nat Commun 12, 6722 (2021) // CC BY 4.0

Da sowohl Supraleitung als auch Magnetismus vom Spin der Elektronen abhängig sind, können sie sich gegenseitig stören. Magnetismus könnte man also als Gegner der Supraleitung bezeichnen. So verdrängt ein Supraleiter üblicherweise ein Magnetfeld aus seinem Inneren. Doch wenn das Magnetfeld zu stark ist, wird die Supraleitung zerstört. Dort, wo die magnetischen Chromatome liegen, passiert das auf fast atomarer Ebene auch auf dem Niob-Kristall (Abb. C). Dadurch bilden sich rund um die Chromatome neue, diskrete Atomorbitale. Diskret bedeutet, dass die Elektronen, die sich im Orbital bewegen, nur bestimmte, deutlich voneinander getrennte Energieniveaus annehmen können. Das Besondere an den neuen Orbitalen rund um die Chromatome auf dem Niob-Kristall ist, dass sich darauf Elektronen mit Energien aufhalten können, für die es in Niob normalerweise keinen Platz gibt. Diese verbotene Zone im Energiespektrum, auch Bandlücke genannt, ist charakteristisch für Supraleiter.

Mit Atomen bauen

Mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops kann Felix Küster einzelne Chromatome auf der Oberfläche des Niob-Kristalls aufgreifen und gezielt an einer anderen Stelle platzieren (Abb. C). So konnte er in seinen Experimenten zunächst einzelne Chromatome und deren Umgebung untersuchen, bevor er anschließend immer komplexere Systeme schuf. Dazu brachte er als erstes ein zweites Chromatom immer näher an ein anderes heran. Dabei lässt sich zuerst eine schwache Wechselwirkung, bei noch geringerem Abstand eine sogenannte Hybridisierung beobachten. Die neuen diskreten Zustände, die für ein einzelnes Chromatom den Orbitalen eines Atoms entsprechen, bilden sich bei zwei eng beieinander liegenden Chromatomen dann analog eines Molekülorbitals aus. Anschließend stellte Felix Küster immer längere Ketten von Chromatomen und schließlich auch zweidimensionale Gitterstrukturen her (Abb. D). So bewerkstelligte er den Übergang vom Atom zum Molekül und erzeugte mit den Gittern schließlich einen Festkörper. Im Festkörper sind die Energieniveaus, auf denen sich Elektronen befinden können, nicht mehr diskret, sondern verschwimmen zu Bändern.

Elektronen im Fokus

Zusammen mit Forschenden der theoretischen Physik wollte Felix Küster vor allem die Frage beantworten, ob die Elektronen im Chromatom-Gitter einen topologisch supraleitenden Zustand einnehmen können. Mit Hilfe der theoretischen Betrachtungen konnten die Forschenden einerseits festlegen, welche Atomanordnungen gebaut werden sollten, um dem topologischen Supraleiter nahe zu kommen. Und andererseits konnten sie die experimentellen Ergebnisse erst im Vergleich mit den Simulationen wirklich interpretieren. So nutzten sie das Phantombild, das die Theorie liefert, um den im Experiment gemessen Zustand zu identifizieren.

Auf der Suche nach den Spuren der topologischen Supraleitung untersuchten die Forschenden unter anderem die Zustandsdichte der Elektronen im Chromatom-Gitter. Als Eigenschaft eines Festkörpers beschreibt die Zustandsdichte, wie viele erlaubte Zustände es für Elektronen einer bestimmten Energie gibt. Während die diskreten Energieniveaus von einzelnen Atomorbitalen nur jeweils zwei Zustände besitzen, gibt man für die ausgedehnten Energiebänder im Festkörper die Zustandsdichte für ein bestimmtes Energiefenster an. „Die Zustandsdichte gewährt uns einen Einblick in das Zusammenspiel von Magnetismus und Supraleitung auf der Nanometerskala“, sagt Felix Küster. Für die Untersuchung nutzen die Forschenden wiederum das Rastertunnelmikroskop. Denn der Tunnelstrom hängt nicht nur vom Abstand zwischen Spitze und Probe ab, sondern auch von deren elektronischen Zustandsdichten. Misst man die Änderung des Tunnelstroms unter schrittweiser Änderung der angelegten Spannung (dI / dU), können Rückschlüsse auf die Zahl der Elektronenzustände gezogen werden (Spektroskopie-Modus des Rastertunnelmikroskops). In Kombination mit der räumlichen Auflösung des Mikroskops kann so ein Bild aufgezeichnet werden, das die Verteilung der Zustandsdichte auf der Oberfläche der Probe darstellt.

Abb. D: Lego spielen mit Atomen. Mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops können Chromatome (orange) über die Niob-Oberfläche (blau) gezogen und exakt platziert werden. So lässt sich genau untersuchen, wie sich die Elektronenzustandsdichte verhält, wenn ein Atom alleine ist oder zwei eng beisammen sind (links) bzw. eine Kette (2. von links) oder ein Gitter (3. von links) gebildet wurde. Die erhöhte Elektronenzustandsdichte zeigt sich in den dI / dU-Bildern des Rastertunnelmikroskops als gelbe Region. Rechts ist beispielsweise ein Randzustand mit erhöhter Zustandsdichte zu sehen, der sich für das daneben dargestellte Gitter ausbildet.
© F. Küster, MPI für Mikrostrukturphysik

Ein Boost für Quantencomputer

Die Ergebnisse zeigen erhöhte Zustandsdichten an den Rändern und Ecken der verschiedenen Chromatom-Gitter. Diese erscheinen in den dI / dU-Bildern des Rastertunnelmikroskops als helle Regionen (Abb. D). Der Vergleich mit dem theoretischen Modell legt nahe, dass die Forschenden erstmals einen Atom für Atom aufgebauten zweidimensionalen topologischen Supraleiter geschaffen haben. „Für den endgültigen Nachweis müssten wir noch größere Gitter aufbauen und die Messungen bei noch tieferen Temperaturen durchführen. Aktuell ist unsere Energieauflösung noch nicht hoch genug, und die gesuchten Signaturen können sich noch verstecken“, sagt Felix Küster. Aufregend sind aber auch schon die aktuellen Forschungsergebnisse. Denn topologisch geschützte supraleitende Zustände könnten Quantencomputer (s. TECHMAX 36) den entscheidenden Schritt voranbringen. Derzeitige Quantencomputer leiden vor allem an ihrer hohen Fehleranfälligkeit, man spricht von verrauschten Qubits. Sie sind extrem empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen wie elektromagnetischer Strahlung, Temperaturschwankungen oder Vibrationen. Mit einem topologischen Supraleiter könnten topologische Qubits realisiert werden, die wesentlich robuster sind.

Abbildungshinweise:
Titelbild: © F. Küster, MPI für Mikrostrukturphysik
Abb. A: © F. Küster, MPI für Mikrostrukturphysik // CC BY-NC-SA 4.0
Abb. B: © F. Küster, MPI für Mikrostrukturphysik
Abb. C: © links: F. Küster; rechts: Küster, F. et al. Long range and highly tunable interaction between local spins coupled to a superconducting condensate. Nat Commun 12, 6722 (2021) // CC BY 4.0
Abb. D: © F. Küster, MPI für Mikrostrukturphysik

Der Text wird unter CC BY-NC-SA 4.0 veröffentlicht.

TECHMAX Ausgabe 41, Juni 2026; Text: Dr. Andreas Merian; Redaktion: Dr. Tanja Fendt

Aufbau des Kristallgitters des wichtigen Hochtempera­tur-Supraleiters YBa₂Cu₃0₇. Die Kupfer-Atome sind rot dargestellt, Sauerstoff blau, Yttrium grau, Barium grün. Auf den CuO₂-Ebenen fließen die Supraströme.

© MPI für Festkörperforschung / CC BY-NC-SA 4.0

In der klassischen Supraleitung entwickelt das Kristallgitter bei tiefen Temperaturen 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.

© MPG; HN / CC BY-NC-SA 4.0

Dieses Stück Hochtemperatur-Supraleiter wurde mit flüssigem Stickstoff gekühlt: Jetzt schwebt es „eigenstabil“ über einem Permanentmagneten.
© J. Bobroff, F. Bouquet / LPS, Orsay CC-BY-SA 3.0

1911 ging ein Metallröhrchen mit einer Füllung aus hoch­reinem Quecksilber auf eine extreme Reise: in die Region tiefster Temperaturen. Eigentlich bedeutet Reisen ja Bewe­gung, doch das Röhrchen befand sich in einem Isoliergefäß, und darin auf dem Weg zum Kältepol würden sogar die allgegenwärtigen Wärmebewegungen von Atomen allmäh­lich einfrieren.

Die Reise fand in einem Labor im niederländischen Leiden statt — damals das Mekka der noch jungen Tieftemperaturphysik. Sein Leiter Heike Kamerlingh Onnes hatte kurz zuvor ein inter­nationales Wettrennen spektakulär gewonnen: Dem Physiker gelang 1908 die erste Verflüssigung des Edelgases Helium. Dazu musste die Leidener Apparatur eine Temperatur von nur 4,2 Kelvin erreichen! Noch nie zuvor waren Menschen dem absoluten Nullpunkt, Null Kelvin oder -273,16 Grad Celsius, so nahe gekommen. So wurde Kamerlingh Onnes weltberühmt. Nun, drei Jahre später, war die Reise zum Kältepol für die Leidener zur Routine geworden. Doch das Quecksilber tat etwas völlig Unerwartetes: Im flüssigen Helium verschwand sein elek­trischer Widerstand. Heike Kamerlingh Onnes taufte das neue Phänomen Supraleitung.

Abb. A: In Magnetresonanz-Tomografen (MRT) erzeugt ein großer supraleitender Ring ein starkes Magnetfeld, das für die Bilder aus dem Körperinneren notwendig ist. Göttin­ger Max-Planck-Forscher um Jens Frahm haben dafür gesorgt, dass MRT-Aufnahmen nur noch wenige Minuten benötigen.
© Frank Vinken; MRT: Siemens Healthcare

1913 erhielt Kamerlingh Onnes den Nobelpreis für Physik — für die Heliumverflüssigung, nicht die damals exotische Supraleitung. Ein Jahr später gelang ihm ein Experiment, das tiefere Einblicke in das Phänomen gewährte. In einer Spule aus supraleitendem Blei starteten die Leidener einen Ringstrom und schalteten die Batterie ab. Nun hätte der Strom selbst in einem sehr guten elektrischen Leiter schnell abklingen müssen. Doch in dem kalten Bleidraht kreiste er unbeirrt weiter, ohne messbar schwächer zu werden. Heute wird diese Eigenschaft in den me­dizinischen Magnetresonanz-Tomografen ausgenutzt, die ohne Röntgenstrahlung Bilder aus dem Körper liefern: In ihren großen Ringen kreist jahrelang ein einmal eingespeister Suprastrom, der das starke Magnetfeld erzeugt (Abb. A).

1933 machten Fritz Walther Meißner und sein Mitarbeiter Ro­bert Ochsenfeld an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin die zweite große Entdeckung. Sie kühlten ihre Sup­raleiter in einem Magnetfeld ab — das Ergebnis: Sobald eine Probe supraleitend wurde, drängte sie das Magnetfeld aus ih­rem Inneren heraus. Dieser Meißner-Effekt (Titelbild) ist so charakteristisch für die Supraleitung wie der verschwindende elektrische Widerstand. Er kann einen kalten Supraleiter über Permanentmagneten schweben lassen wie auf einem unsichtbaren Kissen. Dieses „eigenstabile“ Schweben ist ein­zigartig und nur mit Supraleitern möglich.

Mitte der 1930er-Jahre versuchte das britisch-deutsche Brüder­paar Fritz und Heinz London den Meißner-Effekt so zu erklären: Das von außen eindringende Magnetfeld wirft an der Oberfläche des Supraleiters verlustfrei kreisende Gegenströme an, die sein Inneres gegen das Magnetfeld abschirmen. Allerdings konnten sie nicht erklären, warum der Supraleiter das Magnetfeld regel­recht aus sich herausdrängt. Das gelang erst später mit Hilfe der Quantenphysik.

Wettkampf um Kälterekorde

Kamerlingh Onnes hatte bereits die Idee, elektrischen Strom durch supraleitende Kabel ohne Verluste über Hunderte von Kilometern zu transportieren. Doch der Pionier wurde schnell enttäuscht. Alle damals bekannten Supraleiter verloren ihre wun­derbare Fähigkeit schon in schwachen Magnetfeldern; von den Magnetfeldern, die die Starkströme der Energietechnik durch ihr Fließen erzeugen, ganz zu schweigen. Hinzu kam: Flüssiges He­lium erfordert eine extrem teure und aufwändige Kältetechnik. Trotz intensiver Suche konnten die Forscher lange kein Materi­al finden, das bei nennenswert höheren Temperaturen supraleitend wird. Bis 1986 hielt die Niob-Germanium-Verbindung Nb3Ge den Rekord — mit mickrigen 23 Kelvin. Immerhin wurden in den 1950er-Jahren Metalllegierungen entdeckt, die auch in starken Magnetfeldern supraleitend blieben. Diese „Typ-II-Su­praleiter“ öffneten das Fenster zur technischen Anwendung. Drähte und Spulen aus ihnen wurden zum Laborstandard. Doch der Weg aus dem Labor heraus in die Energietechnik scheiterte an der immer noch nötigen Ultrakälte.

Die nächste Revolution bahnte sich im Stillen an. Im Züricher IBM-Forschungslaboratorium starteten Alex Müller und Johann Georg Bednorz Anfang der 1980er-Jahre ein ungewöhnliches Forschungsprogramm. Sie untersuchten die Oxide verschie­dener Metalle auf mögliche Supraleitung. Das war ziemlich unkonventionell, weil solche keramischen Oxide bei Zimmer­temperatur allenfalls nur sehr schwach elektrisch leiten — wenn überhaupt. Doch die beiden hatten den richtigen Riecher. 1986 wurde ein Oxid aus Barium, Lanthan und Kupfer bei sensatio­nellen 35 Kelvin supraleitend. Sehr schnell zeichnete sich ab, dass Müller und Bednorz eine völlig neue Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern entdeckt hatten. Bereits im Jahr darauf erhielten sie dafür den Nobelpreis in Physik.

Abb. B: Ab 1986 ließen die neuen Hochtemperatur-Supraleiter die Rekorde purzeln.
© Verändert nach „Physik in unserer Zeit“

Weltweit begann eine fieberhafte Suche nach neuen Supralei­tern. Die Temperaturrekorde purzelten, die Medien meldeten sie wie Sportergebnisse (Abb. B). Alle damals entdeckten Materia­lien basierten auf Kupferoxid. Unter diesen „Kupraten“ war bald HgBa₂Ca₂Cu₃0_8+x mit 132 Kelvin Rekordhalter, das unter hohem Druck schon bei 164 Kelvin supraleitend wird. Viel später, 2008, wurde eine zweite Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern entdeckt: die eisenbasierten Supraleiter. Seit 2020 hält ein Ma­terial mit 250 Kelvin, also nur noch 23 Grad unter dem Nullpunkt, den Rekord. Lanthanhydrid wird aber nur bei einem gewaltigen 1,7-millionenfachen Atmosphärendruck zum Rekordsupraleiter. Das Team um Mikhail Eremets Team am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz verwendete dazu eine Hochdruckzelle aus dem härtesten Material der Welt: Zwischen zwei Diamantstempeln können sie extreme Drücke in einem Volu­men erzeugen, das allerdings viel kleiner als ein Stecknadelkopf ist.

2014 gelang es Andrea Cavalleri, Direktor am Max-Planck-Institut für Struktur und Dy­namik der Materie in Hamburg, mit seiner Gruppe sogar Anzeichen für Supraleitung bei Raumtemperatur zu finden. Dazu be­strahlten sie eine Kuprat-Verbindung mit Pulsen aus starkem Infrarot-Laserlicht. Al­lerdings existiert dieser vielversprechende Zustand immer nur für wenige Pikosekunden. Eine Pikosekunde ist der Millionste Teil einer Millionstel Sekunde und damit so kurz, dass selbst Licht nur etwa ein Drittel Millimeter weit käme.

Der „Heilige Gral“, ein bei Raumtemperatur technisch einsetzbarer Supraleiter, ist also noch nicht gefunden. In den Magnetresonanz-Tomografen der Medizin werden nach wie vor klassische Supraleiter eingesetzt, die sehr tiefe Temperaturen benötigen. Kabel aus Hochtemperatur-Supraleitern in Stromnetzen sind noch teuer und selten. Seit 2008 versorgt zum Beispiel ein supraleitendes Kabel 300.000 New Yorker Haushalte auf Long Island, das durch den engen Kabelschacht zur Insel verlegt ist. Bei gleichem Querschnitt kann es viel stärkere Ströme trans­portieren als herkömmliche Kabel.

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 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?

Abb. C: In der klassischen Supraleitung entwickelt das Kristallgitter bei tiefen Temperaturen 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.
© MPG; HN / CC BY-NC-SA 4.0

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.

Flipflop von Minimagneten

„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. Die Stuttgarter arbeiten auch mit Andrea Cavalleri in Hamburg zusammen. Ausgerechnet die Hochtemperatur-Supraleiter bescherten Kamerlingh Onnes‘ Erben ein neues Problem: Die bewährte BCS-Theorie versagt bei ihnen. Wegen der hohen Temperaturen scheidet die Kristallgitter-Matratze als Vermitt­lerin für die Cooper-Paare aus. Dafür wäre die thermische Be­wegung der Atome zu heftig. Doch auch für die Supraleitung bei hohen Temperaturen sorgen Cooper-Paare. Es muss also einen anderen Mechanismus geben, der die Elektronen verpaart. Hochtemperatur-Supraleiter haben ein viel komplexeres Kristall­gitter als Metalle. Sie bestehen aus mindestens vier Elementen, zum Beispiel Yttrium, Barium, Kupfer und Sauerstoff. Ihre Kris­tallgitter sind wie ein Sandwich aus verschiedenen Schichten aufgebaut, und diese Sandwiches sind wiederum aufeinander gestapelt. In jedem Sandwich steckt bei den 1986 entdeck­ten Kupraten mindestens eine Ebene aus Kupferoxid (Abb. D). Schon bald war klar, dass der Suprastrom entlang dieser flachen, praktisch zweidimensionalen Schicht fließt. Aber was erzeugt die Cooper-Paare?

Abb. D: Aufbau des Kristallgitters des wichtigen Hochtempera­tur-Supraleiters YBa₂Cu₃0₇. Die Kupfer-Atome sind rot dargestellt, Sauerstoff blau, Yttrium grau, Barium grün. Auf den CuO₂-Ebenen fließen die Supraströme.
© MPI Festkörperforschung / CC BY-NC-SA 4.0

Die Stuttgarter Physiker haben einen Hauptverdächtigen im Visier: den Magnetismus. Elektronen haben einen „Spin“, der sie zu winzigen Magneten macht. In magnetischen Materialien richten sich viele Spins in dieselbe Richtung aus. So bilden sie zusammen ein „magnetisches Moment“. Diesen Ferromagnetismus kennen alle von eisernen Magneten. In manchen Materi­alien ordnen sich die Spins auch so, dass sich ihre magnetischen Momente in der Summe gerade aufheben: Zeigt ein Elektronenspin in eine Richtung, dann klappt sein nächster Nachbar in die exakt entgegen gesetzte Richtung und so weiter. Diesen Antiferromagnetismus hat Keimers Team in den Kupferoxid-Ebenen von Hochtemperatur-Supraleitern beobachten können. Allerdings existiert er dort nicht als feste Ordnung — er fluktu­iert, weil die Elektronenspins ständig in Bewegung sind. Die Spinfluktuationen schaffen die richtige Umgebung für die Ent­stehung der Cooper-Paare, vermutet Keimer. Auch in der 2008 entdeckten, zweiten Klasse von Hochtemperatur-Supraleitern, den eisenbasierten Supraleitern, spielt der Magnetismus eine wichtige Rolle.

Keimer ist optimistisch, dass Physikerinnen und Physiker immer besser verstehen, wie die Hochtemperatur-Supraleitung funkti­oniert. Vielleicht können sie so auch Supraleiter finden, die bei Raumtemperatur funktionieren. Dann könnte Heike Kamerlingh Onnes‘ coole Vision wahr werden.

Abbildungshinweise:
Titelbild: Hochtemperatur-Supraleiter © J. Bobroff, F. Bouquet / LPS, Orsay CC-BY-SA 3.0
Abb. A: MRT © Frank Vinken; MRT: Siemens Healthcare
Abb. B: Supraleiter-Rekorde © Verändert nach „Physik in unserer Zeit“
Abb. C: Cooper-Paare © MPG; HN / CC BY-NC-SA 4.0
Abb. D: Kistallstruktur (Supraleiter) © MPI Festkörperforschung / CC BY-NC-SA 4.0

Der Text wird unter CC BY-NC-SA 4.0 veröffentlicht.

TECHMAX Ausgabe 5, überarbeitet im Frühjahr 2020; Autor: Roland Wengenmayr; Redaktion: Tanja Fendt

Diese Ausgabe wird nicht mehr aktualisiert und steht nur noch als PDF-Datei im Archiv zur Verfügung.