Wissenschaftliche Sensation feiert Geburtstag
Vor 20 Jahren entdeckten Alex Müller und Georg Bednorz die so genannten Hochtemperatur-Supraleiter. Aus diesem Anlass fand in Zürich ein Symposium statt.
Was ist aus den Hoffnungen geworden, die man damals in das neue Material setzte?
Die wissenschaftliche Sensation des Jahres 1986 war zweifellos die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter durch Georg Bednorz und Alex Müller, für die sie ein Jahr später den Nobelpreis bekamen. In neuerer Zeit hat nie jemand so schnell nach einer Entdeckung diese Ehrung bekommen.
Unerwartetes Material
Supraleiter leiten Strom ohne Widerstand. Das Material, das der Schweizer Physiker Müller und sein Mitarbeiter, der deutsche Mineraloge Bednorz im IBM-Forschungslaboratorium in Rüschlikon entdeckten, war ein Kupferoxid, spröde und eher für seine schlechte Leitfähigkeit bekannt.
“Damals hätte kein Mensch erwartet, dass ein solches Material ein Supraleiter sein könnte”, sagt Hugo Keller, Professor für Experimental-Physik an der Universität Zürich.
Theorie fehlt
Doch im Vergleich zum konventionellen Supraleiter kann es den Strom schon bei wesentlich höheren Temperaturen widerstandsfrei leiten. Seit dieser Entdeckung haben die Physiker ein Problem.
“Das Material ist so komplex, dass man bis heute noch immer nicht ganz verstanden hat, wie diese Supraleitung eigentlich zustande kommt”, sagt Keller.
Eine Lösung würde die Türe öffnen zur gezielten Suche nach neuartigen Supraleitern mit optimierten Eigenschaften für technische Anwendungen.
Paare ohne Widerstand
In konventionellen Supraleitern fliesst der Strom widerstandsfrei, weil sich Elektronen paaren. Diese Paarungen entstehen, weil die Elektronen mit den Schwingungen des Kristallgitters interagieren.
Diese Gitterschwingungen werden auch als Phononen bezeichnet. Alex Müller war immer überzeugt, dass auch bei den Hochtemperatur-Supraleitern diese Gitterschwingungen einen Rolle spielen.
Gleicher Mechanismus?
Dass die Phononen einen grossen Einfluss auf die supraleitenden Eigenschaften der konventionellen Supraleiter haben, schliesst man aus der Tatsache, dass Veränderungen im Gitter auch zu Veränderungen der Sprungtemperatur führen.
Die Sprungtemperatur bezeichnet diejenige Temperatur, bis zu der ein Supraleiter supraleitend ist. Um das zu überprüfen, werden Isotopen im Gitter durch schwerere oder leichtere ersetzt. Erste Experimente ergaben keinerlei Hinweise auf einen solchen Isotopeneffekt.
Ignorierte Resultate
Auf Anregung von Alex Müller hat Hugo Keller an der Universität Zürich diese Forschung weitergeführt. In langjähriger Arbeit, mit verfeinerten Methoden und hochsensiblen Geräten ist es ihm und seiner Gruppe gelungen, den Isotopeneffekt auch bei Hochtemperatur-Supraleitern nachzuweisen.
Doch nicht alle sind überzeugt. “Es wird von denjenigen Theoretikern, die vom starren Gitter ausgehen, einfach ignoriert”, konstatiert Nobelpreisträger Müller im Gespräch mit swissinfo.
Konventionelle Supraleiter
Konventionelle Supraleiter waren bereits seit anfangs des letzten Jahrhunderts bekannt, hatten aber einen entscheidenden Nachteil. Ihre Sprungtemperatur lag weit unterhalb von minus 196 Grad Celsius, der Temperatur von flüssigem Stickstoff.
Um sie unter ihre Sprungtemperatur abzukühlen, war daher flüssiges Helium notwendig, und das ist, im Gegensatz zu flüssigem Stickstoff, ausgesprochen teuer.
Grosse Hoffnungen
Erst die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter weckte die Hoffnung auf grosstechnische Anwendungen, wobei mit Hochtemperatur nicht wirklich hohe Temperaturen gemeint sind.
Der Erste hatte eine Sprungtemperatur von knapp minus 240 Grad Celsius. Den Weltrekord hält zur Zeit die ETH Zürich bei minus 140 Grad Celsius.
Einen eigentlichen Durchbruch gab es aber bisher trotzdem nicht, meint Alex Müller: “Es ist im Wesentlichen eine Ersatztechnologie.”
Einsatz bei Platzmangel
Das ursprünglich so spröde Material kann heute als dünne Schicht auf lange Bänder aufgetragen werden. Für einen Stromtransport über weite Distanzen scheint der Aufwand zur Zeit noch zu gross zu sein.
Ein entscheidender Vorteil der Supraleiter ist aber, dass sie rund dreimal mehr Strom durch die gleiche Fläche transportieren können als herkömmliche Kabel. Besonders in Agglomerationen, wo Platznot herrscht, ein Argument.
Erste Teststrecken sind in Betrieb, zum Beispiel in Detroit. Und auch Motoren, die bei gleicher Leistung kleiner und leichter sind werden entwickelt, etwa für Schiffe oder Lokomotiven.
swissinfo, Antoinette Schwab
Die Hochtemperatur-Supraleiter wurden 1986 von K. Alex Müller und J. Georg Bednorz in der Schweiz entdeckt.
Ein Jahr später, 1987, bekamen sie dafür den Nobelpreis für Physik.
Zum Jubiläum findet an der Universität Zürich ein wissenschaftliches Symposium statt.
Supraleiter sind Materialien, die Strom widerstandsfrei leiten.
Hochtemperatur-Supraleiter werden schon bei wesentlich höheren Temperaturen supraleitend als die konventionellen Supraleiter.
Das neue Material wird heute zwar an verschiedenen Orten eingesetzt, von einem eigentlichen Durchbruch, wie man ihn sich erträumte, ist aber nicht die Rede.
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