Gesundheit: Flüssig und reibungslos

NOBELPREIS FÜR PHYSIK 2003

Man könnte meinen, die naturwissenschaftlichen Nobelpreise werden als Themenpakete vergeben: Am Montag wurden Physiker mit dem Medizin-Preis geehrt, die die Magnetresonanz-Tomographie für die Praxis tauglich gemacht haben. Am gestrigen Dienstag nun waren die Physik-Preise an der Reihe. Und da traf es Wissenschaftler, ohne die ein solches Diagnosegerät überhaupt nicht arbeiten würde. Es geht um zwei Physiker, die entscheidende Grundlagen für die Supraleitung schufen sowie um einen Theoretiker, der sich mit dem eng benachbarten Thema der Superfluidität befasste.

Das sind Bereiche, die vom Nobel-Komitee generell hoch geschätzt werden: Zu keinem anderen Physik-Thema wurden bisher so viele Anerkennungen vergeben. Seit 1911 gab es dazu bisher sechs Verleihungen mit insgesamt zwölf Preisträgern – mindestens, wenn man die Gebiete ringsum außer Acht lässt. Und in diesem Jahr kommen drei weitere hinzu.

Doch während in den vergangenen Jahren eher die Praktiker im Vordergrund standen, sind es diesmal die Väter, die geehrt werden. Ihre Theorien stammen zum Teil aus den 50er Jahren. Vitaly Ginzburg schuf die Grundlagen zum Verständnis wichtiger Abläufe, Alexei Abrikosov führte die Theorien fort. Und Anthony Leggett brachte in den 70er Jahren eine Erklärung für suprafluide Zustände des leichten Heliums (dieses sehr seltene Isotop besteht aus zwei Protonen und nur einem Neutron).

Temperatur auf dem Sprung

Supraleitung, Suprafluidität? Die heißen Spuren, die von den diesjährigen Preisträgern gelegt wurden, führen in die extreme Kälte. Dazu musste man früher dicht an den absoluten Temperatur-Nullpunkt bei minus 273 Grad Celsius. Inzwischen gibt es auch Stoffe, die ihre Eigenschaften „schon“ bei rund minus 173 Grad Celsius extrem verändern.

Haben die Stoffe ihre jeweilige „Sprungtemperatur“ erreicht, werden sie supraleitend – das heißt, sie setzen elektrischem Stromfluss keinen Widerstand mehr entgegen. Dieser Widerstand ist bei normalen Umgebungstemperaturen oft ein echtes Ärgernis. Denn wenn Elektrizität durch Leitungen gepumpt wird, heizen sie sich auf. Viel Energie, die im Kraftwerk hereingesteckt werden muss, geht so als Wärme unnütz verloren.

Man muss sich das so vorstellen, als ob die Elektronen, die an der Oberfläche der Leitungen entlangfließen, sich an Unregelmäßigkeiten im Material reiben, über sie stolpern. Bei tiefen Temperaturen, an und unterhalb der „Sprungtemperatur“ jedoch richten sich die Teilchen des Leiters so glatt aus, dass den Elektronen eine saubere Autobahn geschaffen wird. Das spart immens an Energie.

Die Elektronen finden das so angenehm, dass sie sich sogar zu Paaren zusammenfinden, um im Gleichschritt ihren reibungslosen Weg durch den Leiter zu nehmen. Das sind die „Cooper-Paare“, für deren Entdeckung es natürlich auch schon Stockholmer Preise gehagelt hat.

Nun wäre alles vergleichsweise einfach, wenn Supraleiter gleich Supraleiter wäre. Aber nein, es gibt – nach dem bisherigen Erkenntnisstand – zwei Typen. Sie unterscheiden sich durch ihr Verhalten in einem starken Magnetfeld voneinander. Der Typ I kann so kalt sein wie es nur möglich ist, aber nichts hilft: Sobald ein starkes Magnetfeld in seine Nähe kommt, lässt er sich irritieren und verliert seine Supra-Leitfähigkeit. Das freilich ist schlecht, wenn man ihn zum Beispiel für einen Magnetresonanz-Tomographen einsetzen will, denn da geht es ja gerade darum, starke Magnetfelder aufzubauen.

Doch zum Glück gibt es den Typ II. Der lässt sich auch von starken Magnetfeldern nicht aus der Ruhe bringen. Im Gegensatz zum Typ I, der das Magnetfeld von sich weist, lässt es Material vom Typ II eintreten, wenn es groß wird. Es bilden sich „Flussschläuche“ im Inneren des Werkstoffs, die das Magnetfeld kanalisieren und damit gleichsam unschädlich machen. Das kostet zwar etwas Energie, aber das Material bleibt dennoch supraleitend. Und diese Eigenschaft ist eben ein unschätzbarer Vorteil für etliche Anwendungen, berichtet Christian Thomsen, der am Institut für Festkörperphysik der Technischen Universität Berlin lehrt und ebenfalls an Supraleitern forscht.

Es ist Alexei Abrikosov und Vitaly Ginzburg zu verdanken, dass wir heute wissen, wie es zu der – allzu oft störenden – Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und dem Verlust der Supra-Leitfähigkeit beim Typ I kommt. Ihre Theorie aus den 50er Jahren war so weit reichend, dass sich daraus sogar das Verhalten des Typs II erklären ließ.

Nun sind Materialien des Typs II aus Legierungen gefertigt, die zum Beispiel die (Übergangs-)Metalle Niob und Germanium enthalten. Was hat das mit der Arbeit des dritten Preisträgers, Anthony Leggett, zu tun, der sich doch mit dem Verhalten des Helium-Isotops befasste?

Oberflächlich betrachtet recht wenig. Leggett ging es nämlich um suprafluide Zustände des bei Tiefsttemperaturen flüssigen Heliums.

Suprafluid? Jede Flüssigkeit setzt eigentlich einem Gegenstand, der sie bewegen will, einen Widerstand entgegen. Wer seinen Kaffee umrühren will, merkt schnell, wenn die Tasse versehentlich leer ist, der Löffel also nur Luft herumschaufelt. Jede Flüssigkeit besitzt unter „normalen“ Umständen eine typische Viskosität, eine Zähflüssigkeit. Die Moleküle des Honigs etwa kleben ziemlich kräftig aneinander – da ist Kaffee schon viel lockerer, weil er hauptsächlich aus Wasser besteht.

Aber was sind in der extremen Physik schon „normale“ Umstände? Wer das leichte Helium in die Nähe des absoluten Temperatur-Nullpunkts bringt, macht es damit zwar flüssig. Aber auch hier gibt es eine „Sprungtemperatur“, von der an die Zähflüssigkeit vollkommen aufgehoben ist. Leggett hat in den 70er Jahren in einer Theorie erklärt, wie es zu diesem Zustand kommt. Auch die Atome des Heliums ordnen sich bei dieser Temperatur zu geordneten Paaren, wie die Cooper-Elektronen auch. Insofern sind hier ähnliche Mechanismen am Werk und der anfangs fehlende Zusammenhang doch wiederhergestellt.

Gideon Heimann