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Supraleitung (war auch mal Supraleitung bezeichnet) ist das Phänomen, dass manche Materialien unterhalb einer bestimmten (meist sehr niedrigen) Temperatur nicht elektrischer Wiederstand haben. Das Phänomen ist am 8. April 1911 in Führen entdeckt von Heike Kamerlingh Onnes^[1][2][3]in seiner Pionierarbeit auf dem Gebiet der extrem tiefen Temperaturen. In den 1980er und 1990er Jahren wurde auch in keramischen Materialien Supraleitung bei viel höheren Temperaturen gefunden.

Supraleitung bedeutet, dass beim Starten von Strom in einem geschlossenen Kreis die aus einem supraleitenden Material besteht, dieser Strom auch ohne angelegt elektrische Spannung werde weiter herumlaufen. Da ein Stromkreis a Magnetfeld Auf diese Weise kann ein permanentes Magnetfeld erzeugt werden. Supraleitende Magnete sind daher weit verbreitet, ein wesentlicher Nachteil besteht jedoch darin, dass Supraleitung in den meisten Materialien erst bei besonders niedrigen Temperaturen auftritt, einige Grad über dem Absoluter Nullpunkt. Supraleitende Magnete müssen daher bei großen und teuren Anlagen gekühlt werden, meist mit Flüssigkeit Helium.

Als Ergebnis der Meissner-Effekt kann a Magnet über einem Supraleiter schweben.

Geschichte

Nach dem Heike Kamerlingh Onnes im Jahr 1908 hatte es geschafft Helium verflüssigt, startete er eine Reihe von Experimenten, um eine endgültige Antwort auf die elektrischer Wiederstand von Metallen um ihn herum Absoluter Nullpunkt. Aus Experimenten war bekannt, dass der Widerstand mit abnehmender Temperatur abnimmt, aber Physiker waren sich nicht einig, was mit dem Widerstand beim absoluten Nullpunkt passieren würde.

• Laut der Herrschaft von Matthiessen, vom britischen Chemiker August Matthiessen, setzt sich der Widerstand eines Metalls aus der Summe zweier Widerstände zusammen, einem temperaturabhängigen Elektronenwiderstand und einem temperaturunabhängigen Restwiderstand durch Verunreinigungen im Metall. Nach Matthiessen würde mit sinkender Temperatur der Widerstand linear abnehmen, bis nur noch ein konstanter Wert, der Restwiderstand, übrigbleibt.
• Der britische Physiker Lord Kelvin hatte eine ganz andere Theorie. Er glaubte, dass die Elektronen bei sehr niedrigen Temperaturen ihre Mobilität im Metall verlieren und an den Metallionen "einfrieren". Das Metall würde zu einem Isolator von unendlich hohem Widerstand werden.
• Schließlich war da noch die Elektronentheorie des niederländischen Physikers Hendrik Lorentz. Er stellte fest, dass der Widerstand eines Metalls dadurch verursacht wird, dass die Leitungselektronen durch die Schwingung des Ionengitters gestreut werden. Beim absoluten Nullpunkt gibt es weniger Schwingungen, so dass die freie Weglänge der Elektronen größer ist und der Widerstand null ist.

Experiment von Kamerlingh Onnes

Zusammen mit Gilles Holst Kamerling Onnes nahm ein Platindraht und beobachtete, wie der Widerstand von Grad zu Grad fiel. Den Vorhersagen zufolge nahm der Widerstand mit der Temperatur ab; Aber sobald sie einige Grad über dem absoluten Nullpunkt erreichten, beobachteten sie, dass der Widerstand konstant blieb, während die Temperatur weiter fiel. Ein ähnliches Experiment mit einem Golddraht ergab das gleiche Ergebnis. Diese Ergebnisse unterstützten Matthiessens Theorie und schienen zu bestätigen, dass der gemessene Restwiderstand durch Verunreinigungen im Metall verursacht wurde.

Um eine definitive Antwort zu geben, wechselte Kamerlingh Onnes zu Merkur, ein Metall, das sich wiederholt durch destillieren kann sehr sauber bezogen werden. Am 8. April 1911 begann er zusammen mit Gilles Holst das Experiment. Bei einer Temperatur von 4,2 K (−269 °C) beobachtete er, dass der Widerstand des Quecksilbers plötzlich verschwand – mit anderen Worten: der Widerstand von Quecksilber war null geworden.^[4] Der Wissenschaftler dachte zuerst, dass seine Messgeräte defekt seien, aber es stellte sich heraus, dass daran nichts auszusetzen war und a Kurzschluss wurde nicht gefunden. "Quecksilber praktisch null" schrieb Kamerlingh Onnes in sein Notizbuch. Als die Temperatur erhöht wurde, sah Holst, dass der Widerstand zurückkehrte. Später wiederholte er das Experiment mit führen und Zinn und beobachteten, dass sie bei 7.2 bzw. 3.8 K supraleitend wurden.

Erste Ergebnisse zum Verschwinden des elektrischen Widerstandes veröffentlichte Kamerlingh Onnes am 28. April 1911 in der Berichte aus dem Königliche Akademie der Wissenschaften.^[5] Achten Sie auf die Solvay-Konferenz im November 1911 berichtete er ausführlicher über die gefundenen Ergebnisse, wobei er erstmals auch den Begriff des Supraleiters einführte.

Endgültiger Beweis

Um festzustellen, ob der Widerstand eines Supraleiters wirklich null oder nur extrem klein ist, ließ Kamerlingh von Onnes einen Bleiring herstellen, den er in ein Bad aus flüssigem Helium tauchte. Dann leitete er einen elektrischen Strom durch den supraleitenden Ring, den er mit einem kleinen Magnetnadel Matte (ein Strom erzeugt ein Magnetfeld). Zwei Tage lang blieb die Nadel in derselben Position, was zeigte, dass der elektrische Strom nicht abgenommen hatte. Später wurde das Experiment von einem amerikanischen Forscherteam wiederholt, das zwei Jahre lang einen elektrischen Strom in einem Supraleiter zirkulieren ließ, ohne die geringste Widerstandsänderung zu entdecken.

Kamerlingh Onnes wollte dann einen supraleitenden Magneten herstellen, der mehrere tausend halten kann Teslawar stark. Diesen Plan musste er bald aufgeben, da schnell klar wurde, dass die Supraleitung verschwand, wenn die Stärke des Magnetfelds einen bestimmten Schwellenwert überschritt; in der Größenordnung von einigen Tesla.

Theorien zur Supraleitung

Seit seiner Entdeckung durch Kamerlingh Onnes wurden viele Versuche unternommen, das Phänomen zu erklären. Der nächste wichtige Schritt kam 1933, als Walther Meissner zusammen mit seinem Assistenten Robert Ochsenfeld entdeckte, dass ein Supraleiter eine von außen angelegte Magnetfeld Abstoßung: Im Supraleiter gibt es kein Magnetfeld und die magnetischen Feldlinien sind sozusagen um den Supraleiter gebogen. Dieses Phänomen ist heute als bekannt Meissner-Effekt.^[6] Die Brüder Fritz und Heinz London zeigten, dass der Meissner-Effekt eine Folge der Begrenzung der elektromagnetischen freie Energie vom supraleitenden Strom getragen.^[7] Bei der Untersuchung des Effekts fanden die Londoner Brüder heraus, dass sich der elektrische Strom in einer sehr dünnen äußeren Schicht des Supraleiters befindet. Diese Oberflächenströme sind so organisiert, dass das Innere des Supraleiters vom äußeren Magnetfeld abgeschirmt wird. Dieses Eindringtiefe (λ), auch die LondonEindringtiefe, ist eine spezifische Eigenschaft von Supraleitern und etwa hundert Nanometer dick.

Ginzburg-Landau-Theorie

In den fünfziger Jahren gefunden Theoretische Physiker eine befriedigende Erklärung der "klassischen" Supraleitung mit der deskriptiven ("phänomenologischen") Ginzburg-Landau-Theorie (1950) von der Russisch Physiker Vitali Ginzburg und Lev Landau.^[8] Mit dieser Theorie könnten makroskopische Eigenschaften von Supraleitern beschrieben werden. Ein anderer russischer Wissenschaftler, Alexei Aprikosov, zeigte, dass die Ginzburg-Landau-Theorie vorschlägt, dass zwei Arten von Supraleitern (Typ I und Typ II) existieren, die jeweils ein unterschiedliches Verhalten in Gegenwart eines Magnetfelds aufweisen. Ginzburg und Abrikosov wurden für ihre Arbeit 2003 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

• Ein Typ-I-Supraleiter (im Allgemeinen reine Metalle, außer Niob) drückt das angelegte Magnetfeld aus. Dies gilt für jedes Feld, das kleiner ist als die kritische Feldstärke H_c. Darüber hinaus durchdringt der magnetische Fluss den Supraleiter vollständig und der supraleitende Zustand verschwindet schlagartig.
• Ein Supraleiter vom Typ II (in der Regel Legierungen) drückt das angelegte Magnetfeld aus, bis es einen ersten kritischen Wert (H_c1) des erreichten Feldes; dann wird das Feld allmählich in Form von quantisierten Einheiten (Wirbeln) des magnetischen Flusses durchdrungen. Dies wird als „gemischter Zustand“ bezeichnet, da der Widerstand trotz teilweiser Durchdringung des Magnetfelds immer noch Null ist. Sobald das Feld einen zweiten kritischen Wert (H_c2), ist die Penetration vollständig und der supraleitende Zustand verschwindet.

Typ-II-Supraleiter werden hauptsächlich beim Bau von Elektromagnete in der Lage, sehr starke Felder zu erzeugen.

Der endgültige Durchbruch gelang 46 Jahre nach der Entdeckung mit der BCS-Theorie (1957) von den Amerikanern Bardeen, Cooper und Schriftsteller.^[9][10] Dieses Trio bekam 1972 die Nobelpreis für ihre Theorie.

Erklärung nach BCS-Theorie

Supraleiter sind Leiter, die gegen Elektronenströme keinen Widerstand haben. Dies ist auf die Bildung von Cooper-Paare, ein Quanteneffekt, der intuitiv wie folgt beschrieben werden kann:
Betrachten Sie zwei kostenlose Elektronen in einem Gitter mit positiven Ionen:

                                          -                                                        -                       

Als Ganzes betrachtet ist das gesamte Netz neutral geladen. Die beiden Elektronen haben ein negatives Ladung und dabei positiv sammeln Ionen um sich herum. Als Ergebnis wird in einem vernünftigen Abstand ein Elektron vom anderen Elektron als leicht positiv angesehen. Umgekehrt gilt dies auch. Die Elektronen werden dadurch leicht zueinander angezogen. Dies geschieht nur, wenn die Schwingungen der Ionen nicht zu groß sind. Wären diese zu groß, würden sich die positiven Ladungen der Ionen auf eine größere Fläche verteilen und die Cooper-Paare würden nicht gebildet. Aus diesem Grund kann Supraleitung vorerst nur bei relativ niedrigen Temperaturen auftreten. Die Temperatur, unterhalb derer Supraleitung auftritt, wird als kritische Temperatur bezeichnet; es ist stark abhängig von der Stromdichte und der Umgebung Magnetfeld. Bei zu großen Magnetfeldern verlieren viele Materialien ihre supraleitenden Eigenschaften.

Wenn sich Elektronen in einem Cooper-Paar anordnen, ist ihr kollektives Energieniveau kleiner als wenn sie getrennt auftreten. Das bedeutet, dass sich Elektronen nach Möglichkeit immer in Cooper-Paaren anordnen. Wenn sich die Elektronen paarweise anordnen, bedeutet dies, dass sie sich auch so bewegen. Da die Ionen wenig vibrieren, besteht auch die Möglichkeit, dass Streuung ("Kollisionen") sehr klein. Dies erklärt, dass es keine elektrischer Wiederstand ist in Supraleitung.

Es wurde festgestellt, dass die BCS-Theorie genau dem Verhalten von Metallen und Legierungen bei niedrigen Temperaturen entspricht. 1973, a Niob-Germanium (Anm₃Ge) Legierung hergestellt bei 23,3 Kelvin wurde supraleitend.

Materialien

Mehr als die Hälfte der Metalle aus der Periodensystem in einen supraleitenden Zustand gebracht werden kann. Gute supraleitende Elemente sind

• Niob: ⁴¹nb; T_C=9,25K
• Vanadium: ²³V.; T_C=5,4 K
• Lanthan: ⁵⁷La; T_C=4,8K
• Tantal: ⁷³Ta; T_C=4,4 K
• Merkur⁸⁰hg; T_C=4,15 K

Im Gegensatz dazu sind Metalle wie Kupfer, Silber- und Eisen werden auch bei extrem niedrigen Temperaturen nicht supraleitend.

Bessere Tieftemperatur-Supraleiter bestehen aus speziellen Legierungen wie Niob-Titan oder intermetallischen Verbindungen wie:

• VanadiumSilizium V₃Si; T_C=17 K
• NiobZinn Nb₃sn; T_C= 18,3 K
• NiobGermanium Nb₃Ge; T_C=23,3K

Letztere sind sogenannte A15-Supraleiter, weil sie eine chemische Struktur A . haben₃haben B mit A = Nb, V, Ta, Zr und B = Sn, Ge, Al, Ga, Si.

„Warme“ Supraleiterconductor

Zeitleiste der Entdeckung von Supraleitern mit ihren kritischen Temperaturen

sehen Hochtemperatur-Supraleitung für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Im Frühjahr 1986 entdeckten Schweizer Wissenschaftler Georg Bednorz und Alex Müller ein neues Material, das bei einer Temperatur von 35 Kelvin supraleitend wurde. Noch bemerkenswerter war, dass der gefundene Supraleiter kein Metall oder keine Legierung war, sondern ein keramisches Material bestehend aus Lanthan, Barium und Kupferoxid. Durch das Ersetzen von Lanthan durch Yttrium geschaffen Forscher aus der creëer Universität Houston, angeführt von Paul Chu, ein Supraleiter, der bei 93 Kelvin supraleitend wurde, einer Temperatur, die mit billigeren erreicht werden kann, Flüssigstickstoff (Siedepunkt 77 K) erreicht werden.

Seit einigen Jahren gibt es einige Cuprate (Verbindungen mit Stichwort_neinÖ_ich, wie Yttrium-Barium-Kupferoxid, Wismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid und Quecksilber-Barium-Calcium-Kupferoxid), die bei Temperaturen bis 135 Kelvin (−138,15 Grad Celsius) sind supraleitend,^[11]aber sie haben andere Nachteile; sie sind keramische Materialien, die sich nur schwer zu einem Draht formen lassen und oft nicht so hohe Ströme vertragen (lesen Sie: Magnetfelder).

Im Jahr 2015 aufgrund des Verdachts, dass metallischer Wasserstoff bei hohen Temperaturen supraleitend sein könnten, wurde an Hydriden geforscht, die unter weniger extremen Drücken metallische Eigenschaften annehmen. So wurde festgestellt, dass Schwefelhydrid (H₃S), das bei Drücken ab 95 GPa metallisch wird, wird bei immer höheren Drücken bereits bei höheren Temperaturen supraleitend. Die Supraleitfähigkeit wurde beispielsweise bei 203,5 K bei einem Druck von 155 GPa gemessen.^[12]

Der Begriff "warmer Supraleiter" ist natürlich relativ zu sehen. Eine Temperatur von 203 K (−70 °C) ist nach menschlichen Maßstäben immer noch sehr niedrig, aber sehr warm im Vergleich zu den Temperaturen, bei denen zunächst Supraleitung beobachtet wurde.

Anwendungen

Ein MRT-Scanner verwendet supraleitende Magnete

Supraleitende Materialien werden hauptsächlich dort eingesetzt, wo es von Vorteil ist, absolut keine elektrischen Verluste zu haben. Durch die Entdeckung warmer Supraleiter ist dies nun prinzipiell bei der Temperatur von Flüssigkeit möglich Stickstoff-, ein relativ einfach zu handhabendes Kühlmittel. Die Eigenschaften der betreffenden Materialien sind jedoch nicht so günstig: Sie sind Keramik, ganz spröde Materialien, die zudem starke Magnetfelder nicht vertragen, ohne ihre Supraleitfähigkeit zu verlieren.

In praktischen Anwendungen finden wir daher hauptsächlich supraleitende Metall, der mit Flüssigkeit Helium muss gekühlt werden. Das vielleicht bekannteste Beispiel ist das MRT-Scanner die man in Krankenhäusern findet. Um die großen Magnetfelder ohne enorme, Energie kostende und an sich unerwünschte Wärmeentwicklung zu erzeugen, werden supraleitende Spulen als Elektromagnet.

Supraleitende Spulen werden auch als Lenkmagnet im Teilchenbeschleuniger, einschließlich der Large Hadron Collider (LHC) und in NMR-Spektrometer (für bildgebende Materialien auf molekularer und atomarer Ebene). Supraleitende Spulen werden auch in Tokamaks vor dem Kernfusion, wie der experimentelle Kernfusionsreaktor ITER: dort wird das starke Magnetfeld erzeugt, mit dem die Plasma ist inhaftiert. Dafür wird ein Magnetfeld verwendet, da das Plasma eine extreme Temperatur von 100 bis 150 Millionen Kelvin hat und es keine geeigneten Materialien gibt, um ein solches Plasma physikalisch einzuschließen.

In der experimentellen Physik wird es verwendet? Tintenfische, kleine supraleitende Schaltkreise, um winzige elektromagnetisch Felder erkennen, zum Beispiel Felder als Ergebnis von Eins Partikel. Es ist auch möglich, sogenannte Josephson-KreuzungenLogikschaltungen zu machen.

Für zukünftige Anwendungen kann man an supraleitend denken Stromleitungen Transportverluste durch elektrischen Widerstand zu minimieren. Ebenfalls MagnetschwebebahnZüge könnten supraleitende Technologie verwenden.

Externer Link

• (und) Vorlesungen über Supraleitung (Universität von Cambridge)

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