Untersuchungen an Supraleitern
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Die "jugend forscht" - Arbeit
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1. Unsere Arbeit
1. Einleitung und Zielstellung
"Wahrscheinlich wird die Menschheit im nächsten Jahrhundert mehr Energie
benötigen als in ihrer ganzen bisherigen Geschichte." Die wohl bedeutendste
Entdeckung der letzten beiden Jahrhunderte war die Elektrizität. Sie
veränderte unser Leben in einem Maße, wie es sich selbst die
Pioniere Voltaire und Ampère nicht erträumt hätten. Sie
brachte unserer Gesellschaft Wohlstand, allerdings vermochte sie nicht,
alle Probleme der explosionsartig wachsenden Menschheit zu lösen.
Bereits heute werden die Rohstoffe (Kohle, Erdöl) rar. Man spricht
von Energieknappheit oder Energiekrise. Eine Ursache hierfür sind
sicherlich auch die "Verluste" an Elektrizität durch die elektrischen
Widerstände der Festkörperleiter. Anzuführen wären
z.B. Überlandleitungen oder auch die Umspannwerke an sich. Lösungen
bietet hier die Möglichkeit der Supraleitung. Theoretisch wäre
so eine verlustfreie Transportmöglichkeit von Energie gegeben. Allerdings
liegen Theorie und Praxis weit auseinander. Es ist zwar möglich, supraleitende
Materialien herzustellen, diese brauchen aber eine Sprungtemperatur von
ca. 100 Kelvin, um den Strom widerstandsfrei leiten zu können. Dabei
sind die Energien und Kosten für die Kühlung meist größer
als die, die durch elektrische Widerstände verloren gehen. Deshalb
ist es das Ziel heutiger Forschungen, Materialien zu finden und zu entwickeln,
bei denen das Phänomen der Supraleitung bei möglichst hohen Temperaturen
einsetzt. Die Maximalwerte liegen heute bei 125 Kelvin (Quecksilber - Barium
- Calcium - Kupferoxid), also noch weit von der Zimmertemperatur entfernt.
Eine einheitliche Theorie zur vollständigen Klärung des Problems
gibt es noch nicht. Es konnten aber Teilerfolge erzielt werden. Nach heutigem
Modell sind es Cooper - Paare, die das supraleitende Verhalten in Materialien
realisieren. Cooper - Paare, benannt nach dem Physiker Leon N. Cooper,
sind Elektronenpaare (oder allgemein Ladungsträger) die nicht mit
den Teilchen des leitenden Mediums zusammenstoßen. Es gibt allerdings
noch kein einheitliches Modell über die Entstehung der Paare, da stark
zwischen rein metallischen Supraleitern (mit Sprungtemperaturen nahe des
absoluten Nullpunktes) und keramischen Werkstoffen unterschieden werden
muß. Sind diese Sachverhalte geklärt, gelingt es auch, Supraleitung
bei noch höheren Temperaturen zu erzielen.
Ausschlaggebend für die Themenfindung waren Publikationen über
dieses Thema. Da das Phänomen der Supraleitung kein Lehrplaninhalt
ist, unser Interesse aber bestand, versuchten wir auf diesem Weg in die
physikalischen Grundlagen der Supraleitung teilweise einzudringen. Das
Ziel dieser Arbeit besteht darin, das Verhalten von Supraleitern im Bereich
ihrer Sprungtemperatur zu untersuchen, Messungen durchzuführen und
diese auszuwerten, sowie modellhaft zu deuten.
2. Grundlagen
2.1 Geschichte der Supraleitung
Obwohl Supraleiter in unserer heutigen Technik eine noch sehr unbedeutende
Rolle spielen, untersuchte der Physiker Heike Kamerlingh Onnes bereits
1911 die elektrische Leitfähigkeit von Quecksilber nahe des absoluten
Nullpunktes (0 Kelvin). Seinen Vorstellungen zufolge nahm er an, daß
bei diesen Temperaturen kein Stromfluß möglich wäre, da
die beweglichen Elektronen sich fest an die Atome binden würden. Zu
seiner Überraschung stellte er aber fest, daß bei Temperaturen
unter 4,2 Kelvin der elektrische Widerstand des Quecksilbers schlagartig
auf Null sank. Durch diese Entdeckung brach eine Welle der Euphorie durch
die Wissenschaftskreise aus, da man meinte einen Weg gefunden zu haben,
um elektrischen Strom verlustfrei über große Strecken transportieren
zu können. Allerdings flachte die Welle sehr schnell ab, da bei hohen
Strömen dieser Effekt zusammenbricht und es energetisch noch immer
sehr aufwendig ist, die zur Kühlung notwendigen Temperaturen zu erreichen.
Es wurden zwar Elemente gefunden, deren Sprungtemperatur etwas höher
als die von Quecksilber lag (Blei, Niob), eine Erhöhung über
23,3 Kelvin erschien aber unmöglich. Erst 1986 gelang es dem Schweizer
K. Alexander Müller und dem Deutschen J. Georg Bednorz die Sprungtemperatur
auf 35 Kelvin zu steigern. Erlangt wurde dies nach langwierigen Experimenten
durch eine neuartige keramische Verbindung - Lanthan-Barium-Kupferoxid.
1987 erhielten die beiden Wissenschaftler dafür den Nobelpreis. Die
Verwendung keramischer Werkstoffe bildet auch die Grundlage der meisten
heute gebräuchlichen Supraleiter. Es wurden Substanzen entdeckt, deren
Sprungtemperatur oberhalb von 90 Kelvin liegt (wie das von uns verwendete
YBa2Cu3O7). Die Materialien mit diesen Sprungtemperaturen werden als Hochtemperatur
Supraleiter bezeichnet. Die derzeit höchste Sprungtemperatur, die
Anwendungen in der Praxis ermöglicht liegt bei 125 Kelvin, da die
dafür benötigten Kühlmittel technisch einfach zu realisieren
sind. Ausgeschlossen ist heutzutage auch keine Supraleitung bei Zimmertemperatur
mehr. Wahrscheinlich ist dies aber erst möglich, wenn eine schlüssige
Theorie über das Phänomen Supraleitung an sich aufgestellt wird.
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2.2 Physikalische Grundlagen
2.2.1 Elektromagnetische Induktion
1820 stellte Oersted fest, daß durch bewegte Elektronen in einem
Leiter Magnetfelder erzeugt werden. Diese Verbindung zwischen Magnetismus
und Elektrizität, versuchte der Wissenschaftler Michael Farraday umzukehren.
1831 gelang es ihm zum ersten Mal, mit Hilfe eines Magneten Spannung zu
"induzieren". Dieser Vorgang der Induktion wird heutzutage in fast allen
Bereichen des Lebens genutzt; im Generator, im Transformator,... Die Umwandlung
von kinetischer Energie in elektrische Energie wird im einfachsten Fall
bei der Bewegung eines Leiters durch ein homogenes Magnetfeld realisiert.
Es existiert aber auch noch eine weitere Möglichkeit dieser energetischen
Umwandlung. Befindet sich ein Leiter in einem sich ständig ändernden
Magnetfeld, wird ebenfalls ein Spannung hervorgerufen, die einen Induktionsstrom
zur Folge hat .Grundsätzlich berechnet sich die Induktionsspannung
mit der Änderung des gesamten Magnetischen Flusses ( in einer bestimmten
Zeit, multipliziert mit der Anzahl der Windungen, die bei einem einfachen
Leiter 1 beträgt. Der gesamte magnetische Fluß wiederum ist
das Produkt aus der magnetischen Flußdichte B und dem Querschnitt
A des Feldlinienbündels durch die Leiterschleife. Uind = -n ( d(/dt
Das "-" vor dem gesamten Produkt resultiert aus der Lenzschen Regel. Sie
besagt, daß die Induktionsspannung immer die Polarität besitzt,
daß der aus ihr resultierende Induktionsstrom seiner Ursache, der
Bewegung des Leiters, entgegenwirkt. Die Kraft, die die Elektronen bzw.
den Leiter bewegt, nennt sich Lorentzkraft. Sie wird durch bewegte Ladungsträger
in homogenen Magnetfeldern hervorgerufen.
2.2.2 Das Klassiche Modell der Supraleitung
"Zu keinem anderen Einzelthema wurden so viele Nobelpreise verliehen."
Die Rede ist von dem Phänomen der Supraleitung. Bisher wurden fünf
der begehrten Auszeichnungen vergeben, und es könnten weitere folgen,
falls es gelänge, eine schlüssige Theorie zu diesen Problem aufzustellen.
Mit der Entdeckung keramischer Werkstoffe gelang es zwar, die Sprungtemperatur
im Bezug auf die rein metallischen Supraleiter (Quecksilber, Blei) um ein
Vielfaches zu steigern, man ist aber noch immer weit von dem Ziel der Zimmertemperatur
entfernt. Gerade deshalb suchen Forscher weltweit nach einer Erklärung
der Supraleitung an sich. Erschwerend kommt hinzu, daß bisherige
Modelle über Supraleitung bei Metallen, bei den relativ neuen keramischen
Stoffen zu versagen drohen. Die "klassische" Theorie geht von der elektrischen
metallischen Leitung aus. Sie besagt, daß ein metallischer Leiter
aus positiven Atomrümpfen und freien Ladungsträgern, den Elektronen,
besteht. Dabei werden bei anliegender Spannung die Elektronen durch das
elektrische Feld beschleunigt. Im Idealfall könnten sich die Ladungselektronen
frei bewegen, da der elektrische Widerstand Null wäre. Allerdings
wird dieser Fall, bedingt durch die Eigenschaften metallischer Leiter,
nicht erreicht. Erstens kommt es durch die äußere Temperatur
zu Schwingungen der Atomrümpfe um ihre Eigenlage (Temperatur ist ein
Maß für die mittlere kinetische Bewegungsenergie von Teilchen),
und zweitens kommen Verunreinigungen der Leiter vor. Diesen Umständen
ist es zu verdanken, daß es zu Gitterfehlern kommt und so ein homogenes
Gitter nicht existieren kann. Die Ladungselektronen stoßen mit den
Verunreinigungen zusammen oder werden von den schwingenden Atomrümpfen
gestreut - der Stromfluß wird von einem Widerstand behindert. Das
Absinken der Temperatur hin bis zum absoluten Nullpunkt zeigt die Abnahme
des Widerstandes. Bedingt durch die Verunreinigungen ist er aber noch nicht
Null. Außerdem schließen selbst so tiefe Temperaturen keine
Wechselwirkung der Ladungsträger mit dem Gitter des Mediums, sowie
die Abstoßung und somit Streuung der Elektronen untereinander aus.
An dieser Stelle setzten die Forschungen ein. Der entscheidende Durchbruch
gelang zunächst den Physikern Leon N. Cooper, John Bardeen und J.
Robert Schrieffer in den 50er Jahren. Die nach ihnen benannte BCS - Theorie
beschreibt, wie die Elektronen ihre gegenseitige Abstoßung überwinden,
nicht an den Störstellen im leitenden Medium gestreut werden und sich
zu den sogenannten Cooper - Paaren zusammenschließen. Erreicht wird
diese Elektronenpaarbildung mit der Abschirmung des negativen Elektronenpotential
durch die positiven Atomrümpfe. Damit wird die resultierende Abstoßungskraft
zwischen den Elektronen verringert. Ein Elektron, das nun an den Ionen
des Gitters vorbeiwandert, kann dessen Lage geringfügig verschieben.
Diese zeitlich bedingten Verzerrungen werden in der Quantenphysik Phononen
genannt. Durch diese Verformung bildet sich eine Region positiver Ladungsdichte
aus, die wiederum ein zweites Elektron anzieht. Die Anordnung aus Leitungselektron
und Gitterverzerrung (Phonon) wird als Polaron bezeichnet. Das zweite Elektron,
das vom Bereich des ersten angezogen wird, bewirkt wiederum eine Verformung
des Gitters und so eine Anziehung des ersten Elektrons. Vergleichendes
Beispiel hierfür wären zwei Kugeln auf einem gespannten Bettlagen
oder Gummimembran. Beide bewegen sich nicht. Sinkt aber eine der beiden
Kugeln ein, bewegt sich auch die andere auf sie zu. In einem Supraleiter
führt dies zum quantenmechanischen Effekt, daß sich Elektronen
zu Cooper - Paaren verbinden, bei denen jeweils immer zwei Elektronen mit
entgegengesetzten Impuls zum Gesamtimpuls Null korreliert sind. Daher gibt
es keinen Impuls- bzw. Energieverlust bei der Wechselwirkung mit der Gitterstruktur.
Dieser Effekt dehnt sich über den gesamten Supraleiter aus und bewirkt
somit, daß der elektrische Widerstand gegen Null geht. Da die Bindungsenergie
der Elektronen aufgrund ihrer Abstoßung sehr gering ist, setzt das
supraleitende Verhalten der Materialien erst ein, wenn diese Bindungsenergie
(E größer als die thermische Energie kT ist. kT < (E Diese
Theorie von Cooper, Bardeen und Schrieffer ist die heute Gebräuchlichste.
Sie wird in den meisten Lexika und Schullehrbüchern aufgezeigt. Allerdings
hat sie den Nachteil, daß sie nur für Materialien gilt, deren
Sprungtemperatur nahe dem Nullpunkt liegt. In keramischen Werkstoffen,
die Sprungtemperaturen von bis zu 125 Kelvin haben, versagen Teile dieser
Theorie. Die oben beschriebene Ungleichung würde ihre Gültigkeit
verlieren, da die thermische Energie (bei um 100 Kelvin) größer
ist als die Bindungsenergie der Cooper - Paare. Der Widerstand würde
somit keinesfalls gegen Null gehen. Nach Meinung internationaler Wissenschaftler
gibt es noch ein anderes Problem. Bei Materialien mit solch hohen Arbeitstemperaturen
gäbe es eine sehr starke Wechselwirkung zwischen Elektron und Phonon
(temporäre Gitterverzerrungen). Das bedeutet wiederum, daß die
Struktur des leitenden Mediums so stark verzerrt würde, daß
es wahrscheinlich eher ein Isolator als ein elektrischer Leiter wäre.
Außerdem müssen im BCS - Modell die Elektronen energiereicher
sein als die Phononen. Die Elektronen müssen sich viel schneller bewegen,
damit das erste Elektron die Gitterverzerrung (Ion) passiert hat, ehe das
zweite Elektron kommt. Ist der Abstand zwischen beiden groß genug
wirkt sich die Abstoßung weniger aus. In Cupraten (keramischen Werkstoffen)
aber sind Elektronen und Phononen etwa energetisch gleich. Dies bedeutet
aber einen zu geringen Abstand der Cooper - Paare und damit das Versagen
der Theorie. Aber auch wenn sich dieses Modell nicht in allen Punkten auf
die neuen Materialien zuschneiden läßt, so ist man sich eigentlich
einig, an den Cooper - Paaren festzuhalten. Man sucht "nur" neue Wege um
den Mechanismus der Paarbildung zu erklären.
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3. Hauptteil
3.1 Herstellung des Supraleiters
Zur Herstellung von Supraleitern sind verschiedene Materialien geeignet,
die sich in ihrer Sprungtemperatur unterscheiden. Wir benutzten YBa2Cu3O7
als supraleitendes Material, welches wir selbst herstellten. Die Ausgangsstoffe
0,565g Y2O3, 1,97g BaCO3 und 1,19g CuO wurden im trockenen Zustand 30 Minuten
mit einem Spatel gemischt. Jetzt füllten wir dieses Gemisch in einen
Hohlzylinder mit der Länge und dem Innendurchmesser von 2.5 cm. Der
verschlossene Zylinder wurde mit dem Pulver in einem Schraubstock in Tablettenform
gepreßt. Um ein Auseinanderfallen der Tablette zu vermeiden nahmen
wir Spezialleim, der sich beim darauffolgenden Brennvorgang auflöste
und damit keine Auswirkungen auf das Verhalten des Supraleiters hat. Dieser
wurde in einem Keramikofen in 45 Minuten auf 930°C erhitzt und 12 Stunden
konstant auf dieser Temperatur gehalten. Danach wurde die Probe weitere
12 Stunden lang schrittweise auf Zimmertemperatur abgekühlt. Bei früheren
Versuchen, bei denen dieser Zeitraum nicht eingehalten wurde, entstand
lediglich ein Material mit Halbleitereigenschaften. Bei unserem Supraleiter
liegt die Sprungtemperatur bei 92 Kelvin, und somit ist flüssiger
Stickstoff als Kühlmittel geeignet.
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3.2 Experimentelle Untersuchungen
3.2.1 Prinzipieller Versuchsaufbau
Als Schale für den Supraleiter wird styroporähnliches Material
benutzt, da es gute isolierende Eigenschaften besitzt. Als Kühlmittel
dient flüssiger Stickstoff, der in einen Spezialbehälter vorliegt.
Seine Temperatur beträgt etwa -186(C (88 Kelvin) und er befindet sich
nicht unter Druck. Als Schwebekörper dient ein Spezialmagnet, welcher
bei minimaler Masse (1.9 g) eine maximale Feldstärke (0.130 Tesla)
besitzt. Der Supraleiter selbst ist ein Cuprat (Yttrium - Barium - Kupferoxid),
was bedeutet, daß seine Sprungtemperatur bei ca. 92 Kelvin liegt.
Als Ergebnisse dieser Versuche erwarten wir, daß bei genügender
Kühlung des Supraleiters der Magnet über diesem schwebt. Um die
Veränderungen des Magnetfeldes während des Experimentes zu messen,
standen uns drei Messsonden zur Verfügung. Zwei Sonden zum Messen
der magnetischen Flußdichte und eine Sonde um die Temperaturabhängigkeit
aufzuzeigen. Da die Magnetfelder stark inhomogen sind, werden beide Sonden
auf Stativen befestigt. Um die gleichen Bedingungen für weitere Versuche
aufrecht zu erhalten, wurden Magnet und Supraleiter über die B-Sonde
gelegt. Ohne Kühlung wurde so ein Magnetfeld von 24 mT gemessen.
3.2.2 Durchführung
3.2.2.1 Grundversuch
Der Supraleiter wird in die Schale gelegt und der flüssige Stickstoff
eingefüllt. Dieser beginnt, bedingt durch die Temperaturunterschiede
zur Umgebung, sofort zu sieden und verdampft. Das Cuprat wird bis auf seine
Sprungtemperatur von 92 Kelvin abgekühlt. Um diese aber über
einen relativ langen Zeitraum aufrecht zu erhalten, muß in kurzen
Zeitabständen Stickstoff aufgefüllt werden. Ist die Probe genügend
gekühlt, lassen wir den Magneten vorsichtig darauf fallen. Er beginnt
zu schweben. Im Normalfall, ohne weitere Kühlung, dauert dieser Zustand
meist nicht länger als 20-22 Sekunden an. Danach bricht das supraleitende
Verhalten zusammen, und der Magnet fällt herunter (siehe Anhang A).
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3.2.2.2 Meißner - Ochsenfeld - Versuch
In dieser Version wird der Magnet auf den ungekühlten Supraleiter
gelegt. Der Magnet schwebt noch nicht. Darüber wird nun der flüssige
Stickstoff gegeben. Ist das Cuprat genügend gekühlt, beginnt
der Magnet zu schweben. Auffällig ist das der Abstand zwischen den
beiden geringer als beim ersten Versuch ist. Der meßbare Zeitraum,
sowie die Flußdichte verhalten sich ungefähr wie im obrigen
Versuch.
3.2.2.3 Magnetfeld des Supraleiters ohne äußeres Magnetfeld
Wird der Supraleiter gekühlt und dann auf die Meßsonde gelegt,
baut sich zu unserem Erstaunen ohne äußeres Einwirken des Dauermagneten
ein magnetisches Feld auf. Die magnetische Flußdichte steigt steil
bis zu ihrem Maximum (7.4 mT) an und fällt dann, nach Überschreiten
der Sprungtemperatur, exponentiell ab. Offensichtlich ist die Erklärung
für die hier entstanden Ströme nicht im Induktionsphänomen
zu suchen. Vielmehr vermuten wir eine Erklärung im quantenmechanischen
Bereich (siehe Anhang B).
3.2.2.4 Induktionsversuch am Supraleiter
Ziel dieses Versuches soll es sein, durch ein äußeres veränderliches
Magnetfeld, ein Strom im gekühlten Supraleiter zu induzieren. Dazu
bewegen wir den Dauermagnet mittels Pinzette auf den Supraleiter zu und
wieder weg, ohne diesen jedoch zu berühren. Auch hier zeigt sich zu
unserer Überraschung, daß sich die magnetische Flußdichte
nur durch die Bewegung des Magneten veränderte, d.h. daß sich
bei Annäherung das B - Feld nur kurzzeitig erhöht (15.5 mT) und
dann wieder auf seinen Ursprungswert (7.6 mT) abfällt. Auch in diesem
Versuch liegt die Theorie nahe, daß es zu keinem Induktionsvorgang
kommt, da keine dauerhafte Änderung der magnetische Feldstärke
im Supraleiter erfolgt (siehe Anhang C).
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3.3 Auswertung
3.3.1 Klassische Deutung der Versuchsergebnisse
Aufgrund unserer Ergebnisse ist es fraglich, ob die Magnetfelder im Supraleiter
durch die Einwirkung eines äußeren Dauermagneten erzeugt werden.
Wie in 3.2.2.3 und 3.2.2.4 zu sehen ist, baut sich auch ohne äußere
magnetische Einwirkung ein Feld um das Cuprat auf. Dies würde bedeuten,
daß Induktionsvorgänge keine Rolle spielen. Daher ist unserer
Meinung nach die Erklärung im quantenmechanischen Bereich zu suchen.
Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu den in vielen Schullehrbüchern
aufgezeigten Theorien. In diesen wird das Schweben des Dauermagneten über
dem gekühlten Supraleiter durch Induktion erklärt. Es heißt,
daß die Annäherung des Magneten einer Änderung der magnetischen
Feldstärke entspricht und Ströme im Cuprat induziert werden.
Diese Ströme bauen ein Magnetfeld auf, das seiner Ursache entgegenwirkt.
Durch diese abstoßende Wirkung soll der Magnet in der Schwebe gehalten
werden. Der Meißner - Ochsenfeld - Versuch wird ähnlich erklärt,
indem eine Symmetrie zwischen Stromfluß und Magnetfeld diskutiert
wird, also ein konstanter Strom ein Ringmagnetfeld hervorruft und ein konstantes
Magnetfeld, ab der Sprungtemperatur, einen Ringstrom hervorruft. Aus unseren
Versuchsergebnissen ist allerdings zu vermuten, daß es zu einer Bildung
der Cooper - Paare, nach Erreichen der Sprungtemperatur, auch ohne äußeres
Magnetfeld kommt. Bedingt durch die Geometrie des Supraleiters ist der
Leitungszustand stark instabil. Darum entwickelt sich von selbst ein schwacher
Suprastrom, der ein Magnetfeld (siehe 3.2) hervorruft. Dieses Phänomen
ist mit dem BCS - Modell nicht zu erklären. Eine modellhafte Deutung
liefert das Spinwellenmodell, in welchem das Auftreten des Suprastroms
als ein halbzahliges Vielfaches eines magnetischen Flußquantes gedeutet
wird.
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3.3.2 Das Spinwellenmodell
Es zeichnete sich ab, daß die Symmetrie des supraleitenden Zustandes
eine große Rolle spielt. Mit dieser Symmetrie ist eine Wellenfunktion
gemeint, die diesen Zustand mathematisch beschreibt. Sie gibt unter anderem
den Aufenthaltsort der Elektronen des Cooper - Paares, sowie die relative
Bewegung der beiden zueinander an. Dominierend sind dabei die s - Wellensymmetrie
und die d - Wellensymmetrie. Die s - Wellensymmetrie kann man sich als
Kugelschale vorstellen. Ein Elektron liegt im Mittelpunkt und die Wahrscheinlichkeit
des Aufenthaltsortes des zweiten Elektrons fällt exponentiell in alle
Richtungen ab. Der dabei auftretende Zustand ist die höchstmögliche
Form der Symmetrie. Diese Wellenfunktion ergibt sich vor allem bei dem
BCS - Modell, läßt sich aber nicht ohne Probleme auf Hochtemperatursupraleiter
(wie oben beschrieben) anwenden. Das d - Wellenmodell beschreibt einen
etwas geringeren Symmetriegrad. Veranschaulichen kann man es sich durch
vierblättrigen Klee. Dabei steht jeder Bereich (also jedes Blatt),
für den Ort, an dem sich ein Partner des Cooper - Paares relativ zum
anderen aufhalten kann. Jedes Kleeblatt hat außerdem ein anderes
Vorzeichen (also zwei Bereiche mit positiven Vorzeichen und zwei mit negativen
Vorzeichen). Der Vorteil dieser Theorie ist es, daß die Elektronenpaare
nicht so eng gebunden sind und die gegenseitige Abstoßung so minimiert
wird. Douglas J. Scalapino stellte ein Modell auf, das der d - Wellensymmetrie
genügt. Um die Cooper - Paarbildung in diesem Fall zu erklären,
werden Spinwellen herangezogen. Man bedient sich der Tatsache, daß
jedes Teilchen einen Spin besitzt. Dieser Theorie nach beeinflußt
eine bewegte Ladung (Elektron) die Spinorientierung eines benachbarten
Ions im supraleitendem Material. Dadurch entsteht eine magnetische Störung
oder Spinwellenfluktation, d.h. der Spin des Ions kippt um. Dieses wiederum
beeinflußt den Spin seines Nachbarions, das nun ein Elektron mit
entgegengesetztem Spin anziehen kann. Dieses Elektron kippt wiederum den
Spin eines Ions um usw. Bildlich könnte man sich ein Elektron vorstellen,
dessen Sog ein anderes mitzieht. Somit kann es zur Bildung eines Cooper
- Paares kommen, und die in der klassischen Theorie beschriebenen Mechanismen
treten ein. Allerdings zerschlugen sich die Hoffnungen der Wissenschaftler,
daß die Symmetrie des supraleitenden Zustandes eindeutig auf die
richtige Theorie verweist, da mittlerweile mehrere Möglichkeiten bekannt
sind, bestimmte Symmetrien zu erzeugen. Trotzdem sucht man heutzutage nach
Möglichkeiten, bestimmte Wellenmodelle zu beweisen, da dadurch die
Anzahl der möglichen Theorien eingeschränkt würde. Bei dem
d - wellensymmetrischen Zustand wurde erst kürzlich mit Erfolg versucht,
die unterschiedlichen Vorzeichen der Kleeblätter nachzuweisen. Keine
leichte Aufgabe, da Ergebnisse vieler Experimente theoretisch auch mit
dem s - Wellenmodell vereinbar gewesen wären. Erste Hinweise fand
schon Dieter Wohlleben 1993 an der Universität Köln. Bei diesem
Verfahren bedient man sich der Tatsache, daß ringförmige Supraleiter
in der Lage sind, in dem von ihm umschlossenen Raum Magnetfelder einzuschließen
und zwar in Form von Feldlinienbündeln - Flußquanten. Solch
ein Bündel ist als Tunnel vorstellbar. Seine magnetische Flußdichte,
d.h. die magnetische Feldstärke multipliziert mit der vom Tunnel eingeschlossen
Fläche, ist eine fundamentale Naturkonstante h/2·e, wobei h
das Plancksche Wirkumsquantum ist und e die Elemtarladung. Supraleiter
mit s - symmetrischer Wellenfunktion schließen nur ganzzahlige Vielfache
des Flußquantums ein, da in dieser absolut gleichmäßigen
Form keinerlei Vorzeichenwechsel erfolgt. Bei d - Wellensymmetrie können,
bedingt durch den Vorzeichenwechsel, auch halbzahlige Vielfache eingeschlossen
werden. Konkrete Indizien dafür zeigten Dave Wollman und Dale Van
Harlingen (Universität Illinois) erst kürzlich auf, die erste
Beobachtung solcher halbzahligen Flußquanten gelang IBM in noch jüngerer
Vergangenheit. Dabei wurden Yttrium - Barium - Kupferoxid Materialien verwendet.
Diese zwei Theorien stehen nur für einen Bruchteil der heute bekannten.
So gibt es noch Exzitonen-, Plasmonenmodelle u.v.a. Es kann aber gesagt
werden, daß keine der heute gebräuchlichen Vorstellungen eine
Supraleitung bei Zimmertemperatur ausschließt. Besonders mit dem
Spinwellenmodell ließe sich, nach Meinung vieler Wissenschaftler,
eine Supraleitung oberhalb der 0(C Marke durchaus realisieren. Die Frage
ist nur wann. Hoffnungen geben dabei neuartige organische Verbindungen,
die Supraleitung bei immer höheren Temperaturen ermöglichen soll.
Es liegen aber zum jetzigen Zeitpunkt noch keine konkreten Ergebnisse und
Zahlen vor. Kommen die Forschungen auf diesem Gebiet aber weiterhin so
voran, werden Anwendungen dieser Technik für die Wirtschaft sicherlich
immer interessanter.
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(c) ERG Saalfeld, Oliver Otto, letztes Update: 11.02.1998
