Was ist ein Supraleiter? Definition, Arten und Verwendungen

Ein Supraleiter ist ein Material, das, wenn es unter eine als kritische Temperatur bezeichnete Temperatur abgekühlt wird, plötzlich seinen gesamten elektrischen Widerstand verliert, wodurch es Strom ohne Energieverlust leiten kann . Diese Materialien weisen auch eine ganz besondere magnetische Eigenschaft auf: Sie sind vollkommen diamagnetische Substanzen, das heißt, sie schließen magnetische Feldlinien aus. Dies bedeutet, dass die magnetischen Feldlinien in der Nähe eines Magneten durch die Seiten gehen, aber nicht in das Material eindringen.

Wenn ein elektrischer Strom in einem supraleitenden Material, beispielsweise einem runden Draht, induziert wird, fließt dieser Strom unbegrenzt weiter, solange das Material kalt bleibt. Dieser Strom ohne Widerstand wird als Suprastrom bezeichnet und dient unter anderem dazu, sehr starke Magnetfelder zu erzeugen.

Die Supraleitung, also die Eigenschaft eines Materials, unterhalb der kritischen Temperatur zum Supraleiter zu werden, wurde 1911 entdeckt und hat die damaligen Physiker völlig verblüfft. Es dauerte mehr als zwei Jahrzehnte, bis seine diamagnetischen Eigenschaften (als Meissner-Effekt bezeichnet ) entdeckt wurden, und fast ein halbes Jahrhundert, bis Physiker erklären konnten, warum Supraleitung auftritt. 1957 lösten John Bardeen, Leon Cooper und Bob Schrieffer das Problem, was ihnen 1972 den Nobelpreis für Physik einbrachte.

Kritische Temperatur- und Hochtemperatur-Supraleiter

Der erste entdeckte Supraleiter hat eine kritische Temperatur von nur 3,6 K, was -269,6 °C entspricht. Die Erzeugung und Aufrechterhaltung solch niedriger Temperaturen ist äußerst schwierig, was die Verwendung von Supraleitern auf eine Handvoll sehr spezifischer Anwendungen beschränkt hat, wie wir später in diesem Artikel sehen werden.

Aus diesem Grund arbeiten weltweit Hunderte von Wissenschaftlern ständig an der Entwicklung von Supraleitern mit einer kritischen Temperatur nahe der Raumtemperatur. Diese Materialien werden Hochtemperatur-Supraleiter genannt.

Frühe Fortschritte erhöhten die kritische Temperatur um einige zehn Grad, aber kürzlich wurde erstmals ein Supraleiter mit einer kritischen Temperatur von 14,5 °C entwickelt.

Arten von Supraleitern

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Supraleitern, abhängig von ihrer Zusammensetzung und der Art und Weise, wie sie mit Magnetfeldern interagieren.

Supraleiter vom Typ I

Diese waren die ersten, die entdeckt wurden. Dies sind reine Elemente, die den Meissner-Effekt zeigen, das heißt, sie stoßen Magnetfelder ab, wenn sie unterhalb der kritischen Temperatur liegen. Im Allgemeinen haben sie eine einzige kritische Temperatur, die für jedes Material charakteristisch ist, und der Abfall des elektrischen Widerstands unter die kritische Temperatur ist abrupt.

Supraleiter vom Typ II

Diese bestehen aus Mischungen verschiedener Elemente, die sich zu Legierungen oder keramischen Materialien verbinden, die Supraleitfähigkeit aufweisen. Was sie von Supraleitern vom Typ I unterscheidet, ist, dass der Abfall des elektrischen Widerstands allmählich erfolgt, sodass sie zwei kritische Temperaturen haben: eine, wenn der Widerstand zu fallen beginnt, und eine andere, wenn er Null erreicht.

Ein weiteres wichtiges Merkmal dieser Art von Supraleitern ist, dass das Material seine Supraleitfähigkeit verliert, wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, das stark genug ist.

Verwendung von Supraleitern

Teilchenbeschleuniger

Die bisher vielleicht beeindruckendste Anwendung von Supraleitern liegt im Bereich der wissenschaftlichen Forschung rund um die Teilchenphysik. Supraleiter werden in den Elektromagneten verwendet, die den Teilchenstrahl im Large Hadron Collider, einer der größten von Menschenhand gebauten Maschinen, einschließen.

Kernkraft

Die Kernfusion ist seit 100 Jahren die Traumquelle sauberer Energie. Um jedoch eine Kernfusion zu ermöglichen und aufrechtzuerhalten, müssen gasförmiger Wasserstoff und Helium auf 100 Millionen Grad Celsius erhitzt werden, während es sich in einem hohlen Donut namens Tokamak dreht, wo es von starken Elektromagneten aus Supraleitern eingeschlossen wird.

Quanten-Computing

Eine der vielversprechendsten Implementierungen des Quantencomputers verwendet supraleitende Schaltkreise, die für seinen Betrieb unerlässlich sind.

Medizinische diagnostische Bildgebung

Die Entwicklung von Supraleitern hat die Entwicklung medizinischer bildgebender Diagnosegeräte und -techniken ermöglicht, die vorher nicht möglich waren. Eine dieser Techniken ist die SQUID-Magnetoenzephalographie, die in der Lage ist, Änderungen in Magnetfeldern von einem Milliardstel des Magnetfelds zu erkennen, das zum Bewegen einer Kompassnadel erforderlich ist.

Stromerzeugung

Eine weitere neuere Anwendung ist schließlich die Verwendung von Stromgeneratoren aus supraleitendem Draht anstelle von Kupferdraht. Diese Generatoren sind viel effizienter als herkömmliche und viel kleiner und leichter.

Verweise

Charles Slichter (2007). Einführung in die Geschichte der Supraleitung (für Physikstudenten und Wissenschaftler). Abgerufen von https://history.aip.org/exhibits/mod/superconductivity/01.html

Castelvecchi, D. (Oktober 2020). Erster Supraleiter bei Raumtemperatur begeistert – und verblüfft – Wissenschaftler. Nature 586, 349. Abgerufen von https://www.nature.com/articles/d41586-020-02895-0

Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R.  et al.  (2020). Supraleitung bei Raumtemperatur in einem kohlenstoffhaltigen Schwefelhydrid. Natur  586,  373–377. Abgerufen von https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z#citeas