Supraleitung

Den Effekt, dass bestimmte Stoffe bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur, der Sprungtemperatur, in einem abrupten Sprung ihren elektrischen Widerstand verlieren, nennt man Supraleitung. Einen Stoff, der einen supraleitenden Zustand hat, nennt man Supraleiter. Aufgrund ihres verschwindenden Widerstandes kann sich im Inneren eines Supraleiters kein elektrisches Feld ausbilden. Ein Magnetfeld würde sofort einen Kreisstrom induzieren, der im Inneren des Supraleiters ein entgegengesetztes Magnetfeld aufbaut. Dieses hebt das äußere Magnetfeld auf. Supraleitung ist auch immer mit der Verdrängung eines Magnetfeldes aus dem Inneren bei Abkühlung unter die (magnetfeldabängige) Sprungtemperatur verbunden (Meißner-Effekt).

Einteilung

Supraleiter werden in zwei Typen eingeteilt:

• Typ-I-Supraleiter: Sie verdrängen magnetische Feldlinien total aus ihrem Inneren. Die meisten metallischen Elemente sind vom Typ I und haben meist eine sehr niedrige Sprungtemperatur im Bereich weniger Kelvin. Beispiele sind Niob, Blei und Aluminium.
• Typ-II-Supraleiter: In ihrem Inneren befinden sich normalleitende Bereiche, die so genannten Flussschläuche, durch die magnetische Feldlinien durch den Supraleiter laufen. Der magnetische Fluss in diesen Flussschläuchen beträgt immer ein ganzzahliges Vielfaches des magnetischen Flussquants. Ein Beispiel für Typ-II Supraleiter sind die so genannten Hochtemperatursupraleiter, deren kompliziertes Kristallgitter durch Kupferoxid-Ebenen bestimmt ist. Zwei wichtige Gruppen sind YBCO (Yttrium-Barium-Kupferoxide) und BISCO (Wismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxide).

Die Hochtemperatursupraleiter haben Sprungtemperaturen über 77 Kelvin (-196 Grad Celsius), dem Siedepunkt von Stickstoff und können daher relativ billig mit flüssigem Stickstoff in den supraleitenden Zustand gebracht werden.

Darüber hinaus finden der Josephson-Effekt und das SQuID vor allem in der Messtechnik Anwendungen.

Geschichte

Bevor Experimente bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts durchgeführt werden konnten, gab es verschiedene Theorien, wie sich der elektrische Widerstand in diesem Temperaturbereich verhalten würde, so z.B. dass der Widerstand stark ansteigen würde oder dass er ein bestimmtes Niveau nicht unterschreiten würde.

Der Effekt der Supraleitung wurde erstmals 1911 vom Niederländer Heike Kammerlingh Onnes entdeckt. Er beobachtete, dass Quecksilber unterhalb von 4,19 Kelvin sprungartig seinen elektrischen Widerstand verlor. Obwohl die Quantenmechanik damals noch neu war, postulierte er bereits, dass die Supraleitfähigkeit nur quantenmechanisch erklärt werden könnte.