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entdeckt_02_2012

entdeckt 02 .12 TITEL WWW.Hzdr.DE Wie geht Supraleitung kaputt? „Supraleiter“ nennen Physiker Substanzen, die Elektrizität keinen Widerstand entgegensetzen. Im Alltag eines Elektro- Ingenieurs aber gibt es bei dieser verlustfreien Stromleitung gleich zwei entscheidende Schwachstellen: Sie funktioniert normalerweise nur bei sehr niedrigen Temperaturen und re- agiert empfindlich auf stärkere Magnetfelder. Obwohl bereits 1911 die erste Supraleitung beobachtet wurde, wird sie daher bis heute nur in speziellen Fällen angewendet. Umgehen lassen sich diese Hindernisse vermutlich nur, wenn man versteht, was dabei vor sich geht. „Wir untersuchen daher, wie Supraleitung entsteht und wie sie kaputt geht“, umschreibt Joachim Wosnitza dann auch die Experimente im HZDR-Hochfeld-Magnetlabor. Theoretiker erklären das verlust- freie Weiterleiten von Strom mit Hilfe sogenannter „Cooper- Paare“, die aus zwei Elektronen bestehen. Elektronen wieder- um sind elektrisch negativ geladene Elementarteilchen, die nicht nur entscheidende Bauteilchen jeder Materie, sondern auch die Träger des elektrischen Stroms sind. Obendrein ha- ben Elektronen wie viele andere Elementarteilchen auch eine Eigenschaft, die Physiker als „Spin“ bezeichnen. Dieser Spin kann bei Elektronen entweder minus oder plus ½ sein. Der Tanz der Elektronen Vereinigen sich nun zwei Elektronen mit entgegengesetztem Spin zu einem Cooper-Paar, wird nicht nur der jetzt gemein- same Spin Null, sondern ändert sich auch der quantenmecha- nische Zustand des Paars entscheidend, beschreibt Joachim Wosnitza mit einem Vergleich: „Die in einem Supraleiter entstandenen Cooper-Paare reichen sich sozusagen alle die Hände und beginnen wie Tänzer im gleichen Takt zu schwin- gen.“ Während in einem normalen Metall bereits ein kleiner Einfluss ein Elektron ablenken kann und so die Stromleitung ein wenig stört, lassen sich die gemeinsam schwingenden Cooper-Paare nur mit erheblich höherem Energieaufwand aus dem Takt bringen. Weil das bei tiefen Temperaturen aber praktisch nicht passiert, leiten solche Supraleiter den elek- trischen Strom ohne Widerstand und damit auch ohne Verlust weiter. Diese Situation ändert sich aber, sobald ein Magnetfeld auf den Supraleiter wirkt. „Die Elektronen wollen sich nun nach dem Magnetfeld ausrichten und müssten dazu aber die Cooper-Paare aufbrechen“, erklärt Joachim Wosnitza weiter. Da einzelne Paare aber nicht aus der Reihe tanzen können, muss das Magnetfeld schon relativ stark sein und viel Energie HOCHFELD-MAGNETLABOR: Höchste Magnetfelder, wie sie im HZDR zur Verfügung stehen, brachten entscheidende Hinweise auf die Existenz des schon 1964 vorhergesagten Fulde-Effekts.

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