Geschichte und Theorie der Supraleiter

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. Kapitel 1. Die Entdeckung: Kamerlingh Onnes in Leiden

   Rudolf P. Huebener

   Zusammenfassung

   In den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts baute Heike Kamerlingh Onnes in Leiden ein Labor für Tieftemperatur-Experimente auf, das schon bald zur weltweiten Spitze auf diesem Gebiet aufrückte. Kamerlingh Onnes interessierte sich für die thermodynamischen Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten bei tiefen Temperaturen. Hierbei war er durch die Forschungsarbeiten von Johannes Diderik van der Waals an der Universität von Amsterdam inspiriert.

3. Kapitel 2. Walther Meissner und die Physikalisch-Technische Reichsanstalt in Berlin

   Rudolf P. Huebener

   Zusammenfassung

   In der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin hatte man sich damals ebenfalls für die Materialeigenschaften bei tiefen Temperaturen interessiert. Im Jahr 1913 wurde Walther Meissner von Emil Warburg, dem Präsident der Reichsanstalt, beauftragt, eine Wasserstoffverflüssigungsanlage aufzubauen. Vor seinem Physikstudium hatte Meissner schon ein Studium als Maschinenbau-Ingenieur absolviert, sodass er für diese Aufgabe gut geeignet war.

4. Kapitel 3. London Theorie, magnetische Eindringtiefe, Zwischenzustand

   Rudolf P. Huebener

   Zusammenfassung

   Eine erste phänomenologische Theorie der Supraleitung und des Meissner-Ochsenfeld-Effekts stammt von den Brüdern Fritz und Heinz London aus dem Jahr 1935. Insbesondere liefert ihre Theorie einen Wert für die sog. magnetische Eindringtiefe, innerhalb der die elektrischen Abschirmströme entlang der Oberfläche des Supraleiters fließen und das Magnetfeld im Supraleiter noch besteht.

5. Kapitel 4. Typ-II-Supraleiter, Abrikosov-Vortex-Gitter, Mischzustand

   Rudolf P. Huebener

   Zusammenfassung

   Schon in den 1930er Jahren zeigten Experimente, besonders von Leo Vasilyevich Shubnikov in Charkow in der sowjetischen Ukraine, dass die damaligen Vorstellungen auf dem Gebiet der Supraleitung erweitert werden mussten. Shubnikov hatte dort schon früh ein Tieftemperatur-Laboratorium aufgebaut, in dem auch mit flüssigem Helium experimentiert werden konnte.

6. Kapitel 5. Ginzburg-Landau-Theorie, Magnetische Fluss-Quantisierung, London-Modell

   Rudolf P. Huebener

   Zusammenfassung

   Die von Abrikosov zugrunde gelegte phänomenologische Ginzburg-Landau-Theorie beschreibt die Elektronen im supraleitenden Zustand durch eine makroskopische Wellenfunktion.

7. Kapitel 6. BCS-Theorie, Energielücke

   Rudolf P. Huebener

   Zusammenfassung

   Eine theoretische Erklärung der Supraleitung ist schon früh gesucht worden. Albert Einstein hatte beispielsweise vorgeschlagen, dass die Supraleitung durch molekulare Leitungsketten (ähnlich den Ampère’schen Molekularströmen) verursacht wird.

8. Kapitel 7. Josephson-Effekt

   Rudolf P. Huebener

   Zusammenfassung

   Der Kontakt zwischen zwei Supraleitern, den wir am Anfang von Kap. 6 im Zusammenhang mit Kamerlingh Onnes und Walther Meissner erwähnt haben, sollte etwa drei Jahrzehnte später eine prominente Rolle erhalten. Nachdem Ivar Giaever das Ergebnis seines berühmten Tunnelexperiments zum Nachweis der Energielücke in Supraleitern veröffentlicht hatte, interessierte sich der Student Brian David Josephson im englischen Cambridge für den zugrunde liegenden Tunnelprozess. In Vorlesungen hatte er von der neuen BCS-Theorie gehört und war von dem Konzept der Supraleitung als makroskopischem Quantenphänomen besonders beeindruckt.

9. Kapitel 8. Bewegung der Flussquanten, Flusswanderungswiderstand

   Rudolf P. Huebener

   Zusammenfassung

   Die Frage, wie genau der elektrische Widerstand bei der Supraleitung auf null verschwindet, rückte Anfang der 1960er Jahre in den Fokus, als durch neu entdeckte Supraleiter-Materialien ihre technischen Anwendungen bei hohen elektrischen Strömen zum ersten Mal möglich erschienen. Besonders die neuen supraleitenden Niob-Legierungen Nb₃Sn und NbZr waren vielversprechend. Sorgfältige Messungen, besonders an den Bell-Laboratorien in den USA, ergaben Hinweise auf hohe Werte der kritischen elektrischen Stromdichte und des kritischen Magnetfelds. Auch wurde ein neuartiger „kritischer Zustand“ gefunden, oberhalb dessen ein endlicher, wenn auch relativ kleiner, elektrischer Widerstand auftritt.

10. Kapitel 9. Kuprat-Supraleiter

    Rudolf P. Huebener

    Zusammenfassung

    Die Entdeckung der sog. Hochtemperatur-Supraleiter durch Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller im Jahr 1986 lieferte den Startschuss für eine neue Epoche auf dem Gebiet der Supraleitung. Die beiden hatten in Verbindungen aus Barium (Ba), Lanthan (La), Kupfer (Cu) und Sauerstoff (O) mit fallender Temperatur eine plötzliche Abnahme des elektrischen Widerstands um mindestens drei Größenordnungen gefunden. Der Abfall hatte bei etwa 35 K eingesetzt, und es bestand die Vermutung, dass es sich um eine neue Art von Supraleitung handelte.

11. Kapitel 10. MgB2, Eisen-Pniktide

    Rudolf P. Huebener

    Zusammenfassung

    Die Suche nach neuen Supraleitern ging auch nach der Entdeckung der Kuprat-Supraleiter weiter. Wir wollen kurz die wichtigsten Entwicklungen schildern. 2001 berichteten Jun Akimitsu und Mitarbeiter aus Tokyo die Entdeckung von Supraleitung in der Verbindung Magnesiumdiborid (MgB₂) mit der kritischen Temperatur T_C = 39 K.

12. Kapitel 11. Supraleitung in Grenzflächen und Monolagen

    Rudolf P. Huebener

    Zusammenfassung

    Im Jahr 2015 machte eine Mitteilung Schlagzeilen, dass in FeSe-Monolagen Supraleitung mit einer kritischen Temperatur oberhalb 100 K beobachtet wurde. Die Entdeckung kam aus China (das nach dem Ende der Kulturrevolution 1971 einen gewaltigen Aufschwung erlebt, der sich auch auf die Naturwissenschaften erstreckt). Hinweise auf Supraleitung in FeSe-Monolagen hatte es schon 2012 von einer anderen chinesischen Gruppe gegeben.

13. Kapitel 12. Technische Anwendungen

    Rudolf P. Huebener

    Zusammenfassung

    Die Anwendungen der Supraleitung in der Mikroelektronik beruhen im Wesentlichen auf zwei Tatsachen: der magnetischen Fluss Quantisierung und dem Josephson-Effekt. In beiden Fällen spielen ein makroskopischer Quanteneffekt und die Beschreibung des Zustands der Cooper Paare mit einer quantenmechanischen Wellenfunktion die zentrale Rolle. Ein charakteristisches Beispiel ist das SQUID (abgekürzt von der englischen Bezeichnung Superconducting Quantum Interference Device).

14. Backmatter