Gesundheit: Entstehung der Supraleitung mit der Kamera verfolgt

Einige Metall-Legierungen leiten den Strom widerstandslos und ohne Verluste. Allerdings konnten Wissenschaftler dieses Phänomen der Supraleitung lange Zeit nur bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Kältepunkt von minus 273 Grad Celsius beobachten. Sie mussten die Materialien in flüssigem Helium einfrieren, um die verlustfreie Stromleitung in Gang zu setzen. Als Forscher dann 1986, genau 75 Jahre nach der Entdeckung der Supraleitung, erstmals auf keramische Materialien stießen, die bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend sind, schien ein weites Tor für viele technische Anwendungen aufgestoßen worden zu sein. Bei der Suche nach neuen Hochtemperatursupraleitern ist man den in unserem Alltag vorherrschenden Temperaturen seither jedoch nicht wesentlich näher gekommen. Ein kommerzieller Einsatz der Supraleitung gilt inzwischen wieder als fernes Ziel.

Das liegt unter anderem daran, dass Wissenschaftler immer noch nicht genau verstehen, welcher physikalische Mechanismus zum Verschwinden des elektrischen Widerstandes führt. Forscher des Berliner Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie haben die Entstehung eines Supraleiters nun Schritt für Schritt verfolgt. Wie sie im Wissenschaftsmagazin "Science" (Band 287, Seite 470) berichten, spielt dabei der Eigendrehimpuls der Ladungsträger eine möglicherweise entscheidende Rolle.

Für ihre Experimente benutzten sie supraleitende Mischoxide, die ihnen Kollegen aus Belfast zugesandt hatten. Dabei handelt es sich um dünne Filme aus Kupferoxid. Sie können mit Hilfe von Lasern auf eine Trägersubstanz aufgebracht werden. Diesem Kupferoxid hatten die Physiker aus Belfast Barium und Yttrium untergemischt, die die für die Supraleitung wichtigen Ladungsträger spenden: Elektronen oder - wie in diesem Falle - ihre positiv geladenen Gegenspieler.

Die Ladungsträger bewegen sich durch den keramischen Stoff und verlieren dabei einen Teil ihrer Energie durch eine Art Reibung. Sperrt man das Kupferoxid jedoch in eine Kälteapparatur, so paaren sich die Ladungsträger unterhalb einer kritischen Temperatur. Sie können sich fortan nicht mehr individuell bewegen. Stattdessen bleiben sie in einer zusammenhängenden Masse, dem supraleitenden Kondensat, aneinandergekettet und strömen so reibungsfrei durch das Material. Was aber ist der Klebstoff, der die Ladungsträger bei tiefen Temperaturen von etwa minus 180 Grad Celsius aneinander bindet?

Um dies festzustellen, zerstörten Robert Kaindl, Michael Wörner und Thomas Elsässer vom Max-Born-Institut das supraleitende Kondensat wieder, indem sie es für nicht einmal den millionstel Bruchteil einer millionstel Sekunde einer Infrarotbestrahlung aussetzten. Geringe Mengen des Kondensats verdampften daraufhin augenblicklich, der Rest jedoch kehrte beinahe ebenso schnell wieder in den supraleitenden Zustand zurück. Und obwohl dieser Vorgang so schnell verlief, konnten ihn die Berliner Forscher wie mit einer Kamera, die Billionen Bilder pro Sekunde zu machen vermag, verfolgen. Sie wiederholten das Experiment anschließend mit unterschiedlichen Ladungsträgerbeimischungen und bei verschiedenen Temperaturen.

Ihre Beobachtungen stützen eine Vermutung, die andere Forschergruppen bereits zuvor aus Experimenten mit Neutronen gewonnen hatten: Die alternierende Anordnung der Eigendrehimpulse der Elektronen, ihrer Spins, könnte für die Bindung der Ladungsträger in dem Kondensat maßgeblich sein. "Wir haben nun ein weiteres starkes Argument dafür gefunden, dass die Supraleitung mit den Spinfluktuationen zusammenhängt", sagt Michael Wörner. Einer Erklärung des Phänomens sind die Forscher damit möglicherweise einen entscheidenden Schritt näher gekommen. "Vielleicht können wir dank einer schlüssigen Theorie eines Tages gezielter daran arbeiten, neue Supraleiter zu backen."