Akademik

Supraleiter,

 

Materialien, die unterhalb einer für den Stoff charakteristischen Temperatur, der kritischen Übergangstemperatur T_c, keinen messbaren elektrischen Widerstand mehr besitzen und Supraleitung zeigen. Neben den supraleitenden Elementen sind mehrere Tausend Legierungen und Verbindungen bekannt, die zu den Supraleitern zählen. Alle Stoffe, die supraleitend werden, haben metallische Leitfähigkeit.

 

Supraleiter 1. und 2. Art:

 

Aufgrund ihres magnetischen und thermischen Verhaltens unterscheidet man verschiedene Arten von Supraleitern. Die Supraleiter 1. Art (Typ-I-Supraleiter) verdrängen ein Magnetfeld bis zur kritischen magnetischen Feldstärke H_c vollständig (Meißner-Ochsenfeld-Effekt) und werden in Magnetfeldern größer als H_c normal leitend. Supraleiter 2. Art (Typ-II-Supraleiter) verdrängen das Magnetfeld vollständig nur bis zu einem Wert H_c1 H_c, bleiben aber bis zu einem Wert H_c2 > H_c noch supraleitend (H_c ist hier die thermodynamisch definierte kritische Magnetfeldstärke). Bei diesen dringt also das Magnetfeld zwischen H_c1 und H_c2 teilweise in den Supraleiter ein. Man nennt diesen Zustand eines Supraleiters mit Magnetfeld im Innern den gemischten Zustand oder die Schubnikow-Phase. Wegen der für den magnetischen Fluss geltenden Quantenbedingung (Flussquantisierung) kann das Magnetfeld nur in Flusswirbeln (Flussschläuchen) mit sehr geringer Dicke vorliegen, die in die supraleitende Phase eingebettet sind und jeweils ganzzahlige Vielfache des Flussquants enthalten können. In sehr homogenen Supraleitern 2. Art ordnen sich die Flusswirbel zu einem regelmäßigen Dreiecksgitter an.

 

Um derartige Supraleiter als Leitermaterial für Magnetspulen zu benutzen, müssen sie im Magnetfeld relativ große Ströme tragen können. Dazu müssen die Flusswirbel örtlich fixiert werden. Ohne diese Fixierung würden sie bei einem Strom durch den Supraleiter aufgrund der Lorentz-Kraft bewegt werden und dabei dissipative Effekte und damit einen elektrischen Widerstand erzeugen. Supraleiter 2. Art mit solchen »Haftzentren« (normal leitende Ausscheidungen, Anordnungen von Versetzungen u. a. Gitterbaufehler) nennt man harte Supraleiter. Erst diese Materialien erlaubten es in den 1960er-Jahren, supraleitende Magnete zu bauen. Die heute für die Anwendung wichtigen harten Supraleiter sind NbTi-Legierungen, Nb₃Sn und V₃Georgia. Sie sind noch in sehr starken Magnetfeldern supraleitend (Nb₃Sn z. B. bis etwa 20 Tesla bei 4,2 K) und können starke Ströme tragen (Stromdichten 10⁴-10⁵ A/cm²). Alle reinen Metalle bis auf Niob und Vanadium sind Supraleiter 1. Art. Einige Elemente, z. B. Germanium, Silicium, Arsen und Selen, werden erst bei sehr hohen Drücken (oberhalb 25 kbar) supraleitend (Supraleiter in Hochdruckphasen), für andere (z. B. Zinn) treten unter diesen Bedingungen neue supraleitende Modifikationen mit geänderten kritischen Daten auf. Alle Supraleiter 1. Art lassen sich durch Zulegieren von Fremdatomen, die die freie Weglänge der Elektronen verkürzen, in Supraleiter 2. Art überführen. Die heute bekannten Legierungen und alle Verbindungen sind Supraleiter 2. Art und bleiben zum Teil auch bei für die technische Anwendung interessanten Magnetfeldern supraleitend.

 

Eine weitere Gruppe von Supraleitern sind die Verbindungen der Fullerene (C₆₀ und C₇₀) mit Alkalimetallen. 1991 wurde zuerst die Supraleitung von K₃C₆₀ mit T_c = 19,3 K gefunden, später die von Rb₃C₆₀ (T_c = 28 K) und Rb₂CsC₆₀ (T_c = 33 K). Diese Supraleiter sind trotz der relativ hohen Sprungtemperaturen ebenso wie das 2000 entdeckte MgB₂ (T_c = 39 K) klassische Supraleiter 2. Art. Bereits 1980 wurde in komplizierten organischen Verbindungen (so genannt Bechgaard-Salze) Supraleitung mit Sprungtemperaturen von circa 10 K gefunden.

 

Hochtemperatur-Supraleiter:

 

Eine 1986 entdeckte neue Klasse von supraleitenden oxidischen Materialien mit wesentlich höheren Übergangstemperaturen sind die Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL). Als Modellsubstanz für diese Supraleiter gilt die Verbindung YBa₂Cu₃O₇ mit einer Übergangstemperatur von 92,5 K (—180,5 ºC). Charakteristisch ist die ausgeprägte Schichtstruktur, wobei die Supraleitung in den vernetzten Cu-O-Ebenen der von den Sauerstoffatomen gebildeten Pyramiden auftritt. Alle Phänomene, die von den klassischen Supraleitern bekannt sind, finden sich auch bei den Hochtemperatur-Supraleitern; so wurden die Flussquantisierung und die Josephson-Effekte beobachtet. Ein entscheidender Unterschied besteht darin, dass der Abstand, über den zwei Ladungsträger zu einem Paar korreliert werden, die Kohärenzlänge, bei den supraleitenden Oxiden sehr viel kleiner ist als bei den klassischen Supraleitern.

 

Das große Interesse an Hochtemperatur-Supraleitern beruht darauf, dass viele von ihnen bereits durch Kühlung mit flüssigem Stickstoff (77 K) supraleitend werden, was deutlich kostengünstiger ist als die Kühlung mit Helium (4,2 K). Erste Anwendungen sind dünne Schichten in Mikrowellen-Resonatoren für die Satellitenkommunikation, supraleitende Permanentmagnete für Magnetlager von Schwungrädern für die Energiespeicherung und von Pumpen für kryogene Flüssigkeiten sowie als Läufer für Elektromotoren mit supraleitender Erregerwicklung.

 

}}

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

 

Supraleiter: Aufbau, Herstellung, Probleme

 

Supraleiter

 

[engl. superconductor], eine Substanz, die bei tiefen Temperaturen keinen messbaren Widerstand mehr zeigt. Supraleiter werden u. a. als verlustlose Datenüberträger (in Form von Kabeln) in Hochleistungsrechnern eingesetzt.