AUF DER ZIELGERADEN
Eine erstaunliche Entdeckung weist den weg dazu, wie sichder
Stromfluss oh ne Widerstand erklären [ässt.
von Rüdiger Vaas
,,ES IST FAST SCHON erschreckend, wie gutdas alles
zusammenpasst", sagt Hans-PeterRöser. ,,Das hätte niemand
erwartet!" DerAstronom und Physiker, Professor am Insti-tut für
Raumfahrtsysteme der UniversitätStuttgart und dessen Direktor, ist
keinFreund von Übertreibungen. Er wählt seineWorte mit Bedacht.
Doch was er mit seinemTeam entdeckt hat und inzwischen in
Fach-zeitschriften publizierte sowie auf interna-tionalen
Konferenzen vorstellte, ist einekleine Sensation - und könnte bald
einegrößere werden. Röser fand nämlich eineneinfachen Zusammenhang
zwischen derKristallgeometrie und der Sprungtempera-tur der
ominösen Hochtemperatur,supra-leiter (HTSL). Supraleiter sind
seltsame Stof-fe: Ihr elektrischer Widerstand verschwin-det
plötzlich völlig, wenn sie unter einebestimmte Temperatur abgekühlt
werden.Der Wert dieser ,,Sprungtemperatur" hängtvom Material ab und
kann durch Druck oderäußere Magnetfelder verändert werden.
Das merkwürdige Phänomen war erstmals1911 von dem Niederländer
Heike Kamer-lingh Onnes beobachtet worden. Er maß,dass Quecksilber
unterhalb von 4,19 Kelvinschlagartig seinen elektrischen
Widerstand
verliert. Kelvin ist eine absolute Tempera-turangabe, wobei 0
Kelvin minus 273,15Grad Celsius entspricht. In normalen Lei-tern
entsteht der elektrische Widerstanddurch die Wechselwirkung der
Elektronenmit dem Kristallgitter des Materials unddurch
Streuprozesse der Elektronen unter-einander. Verbinden sich diese
Ladungsträ-ger zu Paaren, wird die Energieabgabe andas
Kristallgitter unterdrückt. Und bei tie-fen Temperaturen reicht die
Energie nichtaus, um die gekoppelten Elektronenpaare
66 bild der wissenschaft B I zoog
(Cooper-Paare) auseinanderzureißen - einsolches Duo lässt sich
nicht mehr aufhal-ten, und der Strom fließt gleichsam
wider-standslos. John Bardeen, Leon N. Cooperund John R. Schrieffer
haben 1957 damitdie Supraleitung erklärt, wofür sie 1972
denPhysik-Nobelpreis erhielten.
Allerdings funktioniert dieses Modell nurfür die konventionellen
Supraleiter. 1986entdeckten Johannes Georg Bednorz undKarl Alex
Müller vom IBM-Forschungs-zentrum in Rüschlikon bei Zürich,
dassLanthan-Barium-Kupferoxid bei 35 Kelvinsupraleitend wird -
wofür sie bereits imdarauffolgenden Jahr mit dem Physik-Nobelpreis
ausgezeichnet wurden. Das wardie Initialzündung für eine neue
Klasse vonSupraleitern, den kupferhaltigen HTSL.
DerSprungtemperatur-Rekord liegt seit demJahr 2000 bei 138 Kelvin.
Indes: Wie sichdie Supraleitung in den
geschichtetenKristallstrukturen ausbildet, die von eua-draten aus
vier Sauerstoff- und vier Kupfer-Atomen gebildet werden, ist noch
weit-gehend unklar.
DIE EISENZEIT DER SUPRALEITER
Umso erstaunlicher ist Rösers Entdeckung.Eine Modellübertragung
aus der Halbleiter-technik stand dabei Pate. Die Distanzenzwischen
den Dotierungspunkten - alsoFehlstellen oder bestimmten
zusätzlichenAtomen - in den HTSl-Kristallen sind um-gekehrt
proportional zur Sprungtempera-tur. Die Messwerte der
Sprungtemperatu-ren und Gittergrößen liegen exakt auf einerGeraden
- als wären sie von Zauberhanddort platziert worden. Die Fehler
sind fastüberall weit unterhalb der Prozentmarke.Diese
überraschende Korrelation hat Hans-Peter Röser mit einer einfachen
Gleichungbeschrieben (siehe
Kasten,,ErstaunlicherZusammenhang").
Doch damit nicht genug: Rösers Formelpasst auch bei einer neuen
HTSL-Familie.Sie wurde erst 2008 von Hideo Hosono amTokio-Institut
für Technologie entdeckt. Der
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-Molel
ERSTAU N LICH ER ZUSAMM EN HANG
Der SchlüsseI zur Erklärung der Hoch-
tem peratur-Supraleitung könnte eine
einfache Gleichung sein, die Hans-Peter
Röser von der Universität Stuttgart auf-gestellt hat. Sie
beschreibt eine Korrela-
tion zwischen der Kristallstruktur-Geo-
metrie (zx)' und der SprungtemperaturTc eines Hochtem
peratur-Supraleiters.
Für alle, die es genau wissen wollen,
sie lautet: (zx)' .n-'13 .2Men.n'kTc : h2.Dabei ist k die
Boltzmann-Konstante,
h das Planck'sche Wirkungsq uantum,Men die effektive Masse, die
der zweifa-
chen Elektronenmasse entspricht, und n
die Zaht der supraleitenden Ebenen pro
,,Einheitszelle" des Kristalls (meist r, zoder 3 - für
Bose-Einstein-Kondensategilt n = r). x bezeichnet die
Dotierungs-
distanz: Das ist derAbstand derweni-gen eingebrachten Fremdatome
in die
dadurch supraleitenden Substanzen.Er beträgt ein paar
Mitlionstel Millimeterund lässt sich, wie die
Kristallstrukturinsgesamt, sehr präzise mit bewährtenMethoden der
Röntgen- oder Neutronen-
beugung messen. Die Gleichung be-schreibt die Messwerte von x
und Tc er-staunlich genau (siehe Grafik,,ln Reih
und Glied"). Die Temperaturen decken
einen Bereich von ungefähr zo bis r35Kelvin ab.
Röser spekuliert, dass ein quanten-
mechanischer Effekt kombiniert mit derKristallstruktur für die
Supraleitung sorgt:
,,Die Kristallstruktur wirkt als Resonatorfür die Materiewellen
und stimulierteinen kohärenten Phasenübergang zumsupraleitenden
Zustand". Dem nach wür-de die Wetleneigenschaft der Materie,
speziell der für die Supraleitung verant-
wortlichen gepaarten Elektronen, den
widerstandslosen Stromfluss erzeugen.
Beschrieben wird diese Wetleneigen-
schaft durch die De-Broglie-Wellen länge
L, benannt nach ihrem Entdecker, dem
Physik-Nobelpreisträger Louis Victor deBroglie. Röser verm utet
einen Resonanz-effekt zwischen der De-Broglie-Wellen-länge und der
Kristallstruktur, ausge-drückt durch die einfache Beziehung
\ = 2x. Bewahrheitete sich das, müsstedas Nobelpreis-Komitee
wohI einenneuen Kandidaten auf seine Liste setzen.
68 bitd der wissenschaft B I zoog
chung verbindet die mikroskopische Weltmit der makroskopischen",
räumt Röserein. ,,Wir vermuten, dass all diesen Phäno-men derselbe
physikalische Prozess zu-grunde liegt: eine
Quantenkondensations-phase, die von der Heisenberg'schen
Un-schärferelation abhängt und dem ,Material'beziehungsweise seiner
Masse. "
VON PYTHAGORAS ZUR RAUMFAHRT
Noch ist das Echo der Fachwelt zwiegespal-
ten. ,,Es gibt zwei Sorten von Reaktionen",sagt Röser. ,,Ein
Teil der Kollegen denkt: ,Eskann nicht sein, dass der Satz von
Pythago-ras - der unserer Gleichung zugrunde liegt -zur Lösung
eines solchen Problems genügt,
dungspotenzial. Besonders interessant sindHTSL mit
Sprungtemperaturen über 77 KeI-vin, der Siedetemperatur von
Stickstoff. Eswürde als Kühlmittel zum Teil nur ein Hun-derstel
soviel kosten wie flüssiges Helium.
Um starke supraleitende Spulen zu bauen,sind sehr lange, aber
nur wenige Mikrome-ter dünne Leiterfäden nötig. Das geht mitden
spröden Keramiken der bekannten HTSLnicht. Die neu entdeckte
metallische Klasseder eisen- und nickelhaltigen Stoffe
könnteAbhilfe versprechen. Denn je biegsamer siesind, desto besser
eignen sie sich für dieHerstellung von Kabeln. Manche
Forschersprechen schon von einem neuen ,,Eisen-
L
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@
Jo-',J)
außerdem hätte man einen solchen Effektdoch längst gefunden.'
Aber den Zusam-menhang zwischen der Kristallstruktur-Geometrie und
der Sprungtemperatur kannniemand wegdiskutieren. Andere
Kollegen
meinen, wir sollten alles andere stehen undliegen lassen und
weiterforschen." UndForschungsmöglichkeiten gibt es noch vie-le -
als nächstes will sich Röser den kon-ventionellen Supraleitern und
dem super-flüssigen Helium-3 zuwenden.
Dass Rösers Gleichung Zündstoff birgt, hatnoch einen anderen
Grund. Denn das große
Ziel, eine Erklärung der Supraleitung, istnicht nur für die
Grundlagenforschung inte-ressant. sondern hätte ein enormes
Anwen-
zeitalter". ,,Supraleiter bergen auch groß-artige Perspektiven
für die Raumfahrt",sagt Röser. Denn ein verschwindenderelektrischer
Widerstand bedeutet gleichzei-
tig eine enorm hohe Wärmeleitfähigkeit.Ein Gedanke, der den Chef
des Instituts fürRaumfahrtsysteme besonders
fasziniert,denn:,,Supraleitende Beschichtungen, so-fern bei hoher
Temperatur und hohemDruck möglich, könnten den Eintritt
vonRaumfahrzeugen in die Erdatmosphäreweitaus ungefährlicher machen
und neueTiiebwerke ermöglichen, die bei ultra-hohen Temperaturen
nicht wegschmelzen.Und eine verlustlose Stromübertragung wür-de bei
langen Weltraumreisen den Energie-verbrauch erheblich reduzieren."
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