Machen Sie sich vorerst keine Gedanken über die Raumtemperatur. Haben Sie die Supraleitung wirklich verstanden?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Lu Jianlong

Hersteller: China Science Expo

Kürzlich gab Ranga Dias von der University of Rochester in den USA bekannt, dass sein Team ein Material entdeckt habe, das bei 21 Grad Celsius und 10.000 Standardatmosphären Supraleitung erreichen könne. Als die Neuigkeit herauskam, löste sie in der Physikergemeinde und sogar in der wissenschaftlichen Gemeinschaft hitzige Diskussionen aus.

Dass es zu hitzigen Diskussionen kam, liegt zum einen daran, dass die Supraleitung bei Raumtemperatur für die Physiker schon immer der heilige Gral schlechthin war, und zum anderen daran, dass die Arbeit zuvor zurückgezogen wurde, weil sie in anderen Laboren nicht reproduziert werden konnte. Jetzt, nur ein halbes Jahr später, wurde der Artikel erneut in Nature veröffentlicht.

Welche Bedeutung hat diese Forschung? Warum ist Supraleitung bei Raumtemperatur so wichtig? Dies muss mit dem Entdeckungsprozess des Phänomens der Supraleitung beginnen.

Der erste Mensch, der die Supraleitung entdeckte

Wie wir alle wissen, bezieht sich Supraleitung auf das Phänomen, dass der Widerstand eines Leiters unter bestimmten Bedingungen (wie Temperatur, Druck, Magnetfeld usw.) Null ist. Am 8. April 1911 entdeckte die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes durch Experimente die Supraleitung.

Heike Kamerlingh Onnes

(Bildquelle: Wikipedia)

1911 ist ein Jahr, das in der Entwicklungsgeschichte der Physik leicht übersehen wird. Zu diesem Zeitpunkt war die Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie bereits sechs Jahre her, die allgemeine Relativitätstheorie musste noch weitere vier Jahre warten und die Vollendung der Quantenmechanik erfolgte erst 15 Jahre später. Den Physikern fehlte damals ein klares Verständnis der physikalischen Phänomene auf mikroskopischer Ebene. Sie konnten sich lediglich auf verschiedene komplizierte und fragmentarische theoretische Instrumente verlassen, und die Widersprüche zwischen den Theorien waren endlos.

Bevor Onnes die Supraleitung beobachtete, herrschte unter Physikern keine Einigkeit über die Leitfähigkeit von Leitern bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt. Einige Physiker spekulierten sogar, dass der elektrische Strom in einem Leiter nahe dem absoluten Nullpunkt fast vollständig stagnieren würde. Mit anderen Worten, der Widerstand des Leiters würde zu diesem Zeitpunkt gegen unendlich tendieren. Zu ihnen gehörte William Thomson, 1. Baron Kelvin, einer der berühmtesten Physiker des 19. Jahrhunderts, der für die Benennung der Einheit der absoluten Temperatur verantwortlich war.

Am 8. April 1911 kühlte Onnes Quecksilber in flüssigem Helium ab und stellte fest, dass das Quecksilber beim Abkühlen auf 4,2 K (etwa -269 °C) plötzlich seinen Widerstand verlor. Onnes erkannte sofort die Bedeutung dieser Entdeckung und veröffentlichte anschließend eine Reihe von Forschungsarbeiten zu diesem Phänomen.

Schematische Darstellung der Supraleitung in Quecksilber

(Bildquelle: Wikipedia)

Onnes war der erste Mensch in der Geschichte, der das Phänomen der Supraleitung beobachtete. Mit seiner Entdeckung beendete er die bis dahin geführte Debatte unter Physikern über die Eigenschaften von Leitern bei niedrigen Temperaturen und markierte den Beginn der großartigen Reise der Menschheit zum Gipfel der Supraleitung. Nur zwei Jahre später erhielt er dafür auch den Nobelpreis für Physik.

Die von Onnes beobachtete Supraleitung erfordert jedoch eine Temperatur von 4,2 K. Bei solch niedrigen Temperaturen ist für Supraleiter im Alltag praktisch keine Verwendung möglich.

Wenn wir Supraleiter im Alltag einsetzen wollen, etwa um Strom von Kraftwerken über weite Strecken nahezu verlustfrei zu Tausenden von Haushalten zu übertragen, dann sind Betriebstemperaturen und -drücke nahe an denen im Alltag wesentliche Voraussetzungen. Nachdem die Existenz des Phänomens der Supraleitung bestätigt wurde, ist es für Physiker ein lang gehegter Wunsch geworden, die Temperatur und den Druck, die zur Supraleitung führen, auf ein Niveau zu bringen, das dem alltäglichen Leben nahekommt.

Das Streben nach „Hochtemperatur“-Supraleitung

Anschließend entdeckten Physiker das Phänomen der Supraleitung auch in anderen Materialien, begleitet von einer zunehmend höheren kritischen Temperatur der Supraleitung.

Unter ihnen ist Lanthan-Barium-Kupferoxid, das 1986 gemeinsam vom deutschen Physiker Johannes Georg Bednorz und dem Schweizer Physiker Karl Alexander Müller entdeckt wurde, der erste Hochtemperatur-Supraleiter (hohe Temperatur ist hier relativ) in der Geschichte der Menschheit. Seine kritische Temperatur bei supraleitender Leitung (35 K) ist deutlich höher als die früherer supraleitender Materialien auf Niobbasis wie Nb3Sn und Nb3Ge.

Diese Entdeckung wurde bald darauf mit dem Nobelpreis für Physik im Jahr 1987 ausgezeichnet, woraufhin eine Reihe von Hochtemperatur-Supraleitern aus Kupferoxid entstand, darunter der erste Hochtemperatur-Supraleiter in der Geschichte der Menschheit, dessen kritische Supraleitungstemperatur (93 K) den Siedepunkt von flüssigem Stickstoff (77 K) überschritt – das berühmte Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO).

Warum betonen wir den Siedepunkt von flüssigem Stickstoff? Denn wenn die kritische Temperatur eines Leiters für die Supraleitung den Siedepunkt von flüssigem Stickstoff überschreitet, bedeutet das, dass wir ihn mithilfe von billigem flüssigem Stickstoff problemlos zu einem Supraleiter abkühlen können und die Anwendungskosten im Vergleich zu früheren Supraleitern erheblich sinken.

Kritische Temperaturen verschiedener supraleitender Materialien

(Bildquelle: Wikipedia)

Physiker haben außerdem entdeckt, dass sich höhere kritische Temperaturen für die Supraleitung erreichen lassen, indem man auf die entsprechenden Versuchsmaterialien Drücke ausübt, die weit über dem normalen Atmosphärendruck liegen.

So entdeckte man beispielsweise im Jahr 2015, dass Schwefelwasserstoff (H2S) bei einem Druck von etwa 150 GPa (etwa 1,5 Millionen Standardatmosphären) bei einer „hohen Temperatur“ von 203 K (etwa -70 °C) einen supraleitenden Phasenübergang erfährt.

Eines der Materialien mit der höchsten in Experimenten beobachteten kritischen Temperatur für Supraleitung unter Ultrahochdruckbedingungen ist LaH10, dessen entsprechender Druck und kritische Temperatur etwa 170 GPa bzw. 250 K (etwa -23 °C) betragen. Diese Temperatur liegt sehr nahe bei null Grad Celsius. Leser, die im Nordosten leben, dürften mit dieser Temperatur vertraut sein.

Allerdings sind es die ultrahohen Druckbedingungen, die die Lücke zwischen den Entdeckungen im Labor und der täglichen praktischen Anwendung bilden. Schließlich verursachen große Ultrahochdruckanlagen astronomische Kosten. In praktischen Anwendungen muss neben den Materialeigenschaften auch die Kostenkontrolle berücksichtigt werden.

Ein genauerer Blick auf das Phänomen der Supraleitung

Parallel zu den experimentellen Fortschritten wollen Physiker auch die physikalischen Prinzipien hinter dem Phänomen der Supraleitung verstehen, weshalb die theoretische Forschung zum Phänomen der Supraleitung voranschreitet.

Bereits 1950 schlugen die russischen Physiker Witali Ginzburg und Lew Landau die nach ihnen benannte Ginzburg-Landau-Theorie vor. Es handelt sich um ein phänomenologisches Modell zur Beschreibung der makroskopischen Supraleitung, das den mikroskopischen Mechanismus hinter der Supraleitung nicht berücksichtigt.

Vitaly Ginzburg (links) und Lev Landau (rechts)

Bildquelle: Wikipedia

Es ist so, als ob Physiker bei der Untersuchung thermischer Phänomene auf eine Reihe von Theorien namens Thermodynamik zurückgreifen würden, die einige makroskopische Eigenschaften von Objekten (wie Temperatur, Druck usw.) untersuchen und keine tieferen mikroskopischen Konzepte (wie die Atome, aus denen das Objekt besteht usw.) beinhalten.

In der Ginzburg-Landau-Theorie gibt es eine Ginzburg-Landau-Gleichung. Aus der Ginzburg-Landau-Gleichung können wir auch zwei wichtige physikalische Größen ableiten, nämlich die Kohärenzlänge und die Eindringtiefe. Das Verhältnis dieser beiden charakteristischen Längen ist für Physiker die Grundlage zur Einteilung von Supraleitern vom Typ I und Supraleitern vom Typ II.

Was sind Supraleiter vom Typ I und Typ II? Einfach ausgedrückt hat der erste Supraleitertyp einen kritischen Magnetfeldwert. Sobald die äußere magnetische Feldstärke diesen kritischen Wert überschreitet, ist der gesamte Leiter kein Supraleiter mehr; Der zweite Supraleitertyp hat zwei kritische Magnetfeldwerte. Wenn die äußere magnetische Feldstärke zwischen diesen beiden kritischen Werten liegt, gibt es im Inneren des Leiters immer noch Bereiche, in denen der Widerstand Null ist. Wenn die Stärke des äußeren Magnetfelds die beiden kritischen Werte überschreitet, verliert der Leiter seine Supraleitfähigkeit.

Die erste Theorie zum mikroskopischen Mechanismus der Supraleitung entstand 1957. Ihre Schöpfer waren die amerikanischen Physiker John Bardeen, Leon Cooper und John Robert Schrieffer, daher erhielt sie den Namen BCS-Theorie.

Gemäß der BCS-Theorie verursacht die Elektron-Phonon-Wechselwirkung in einem Leiter eine Anziehungskraft zwischen den Elektronen, wodurch Elektronenpaare, sogenannte Cooper-Paare, entstehen. Cooper-Paare können in einem kondensierten Zustand wie in einer Supraflüssigkeit ungehindert in einem Leiter fließen, und daher rühren die supraleitenden Eigenschaften von Leitern bei ultraniedrigen Temperaturen.

Allerdings ist die BCS-Theorie nicht die ultimative Theorie, die alle supraleitenden Phänomene erklären kann. Beispielsweise kann der oben erwähnte Hochtemperatur-Supraleiter aus Kupferoxid nicht durch die BCS-Theorie erklärt werden. Diese Supraleiter, die nicht durch die BCS-Theorie beschrieben werden können, werden als unkonventionelle Supraleiter bezeichnet. Der erste unkonventionelle Supraleiter war CeCu2Si2, der 1979 entdeckt wurde. Seine kritische Supraleitungstemperatur beträgt nur 0,6 K und ist damit viel niedriger als beim Hochtemperatur-Supraleiter aus Kupferoxid, der ebenfalls ein unkonventioneller Supraleiter ist.

Die Untersuchung der mikroskopischen Mechanismen hinter unkonventionellen Supraleitern ist ein aktives Forschungsgebiet. Ein berühmtes Beispiel ist die Theorie der resonanten Valenzbindung, die 1987 vom amerikanischen Physiker Philip Warren Anderson und dem indischen Physiker Ganapathy Baskaran vorgeschlagen wurde.

Kovalente Bindungen zwischen Elektronen

(Bildquelle: Wikipedia)

In dieser Theorie bilden die Elektronen im Kupferoxidgitter kovalente Bindungen zwischen benachbarten Kupferionen und sind fixiert. Nach der Dotierung können diese Elektronen bewegliche Cooper-Paare bilden und so Supraleitung erzeugen. Das verdrillte Doppelschicht-Graphen, das 2018 im Internet populär wurde, ist ebenfalls ein unkonventioneller Supraleiter.

Bislang sind wir noch weit davon entfernt, unkonventionelle Supraleiter vollständig zu verstehen.

Abschluss

Das diesmal von Dias‘ Team entdeckte Material kann bei 21 Grad Celsius und 10.000 Standardatmosphären Supraleitung erreichen. Obwohl 10.000 Standardatmosphären hoch erscheinen mögen, kann man dies im Vergleich zu anderen zuvor erwähnten Hochtemperatur-Supraleitern, die Millionen von Standardatmosphären benötigen, als „nahezu Normaldruck“ bezeichnen. Wenn diese Entdeckung später von anderen Forschungsgruppen bestätigt wird, wäre das zweifellos ein gewaltiger experimenteller Fortschritt. Ob dies bestätigt werden kann, müssen wir noch abwarten.

Selbst wenn sich die Entdeckung bestätigt, ist das von Dias‘ Team neu entdeckte Material natürlich noch weit von einer alltäglichen Anwendung entfernt, da die kritische Temperatur und der Druck der Supraleitung nicht die einzigen Faktoren sind, die berücksichtigt werden müssen. Auch die kritische Stromdichte und das kritische Magnetfeld sind wichtig. Darüber hinaus stellen auch die technischen Probleme von der Herstellung im kleinen Maßstab im Labor bis hin zur industriellen Produktion im großen Maßstab unvermeidbare Herausforderungen dar.

Was denken Sie über diese Angelegenheit?