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		SUPRALEITUNG Ein Projekt von Benjamin Stangl und Lukas Mayr.         Auf dem Bild sieht man einen schwebenden Magneten über einem Supraleiter. Bildquelle: MS Encarta 99		Was ist Supraleitung? Als Supraleiter werden alle Stoffe, Metalle oder Metallverbindungen, bezeichnet, die bei einer bestimmten Sprungtemperatur in einen supraleitenden Zustand übergehen. Also keinen messbaren elektrischen Widerstand mehr besitzen. Deshalb kann der Strom in einem ringförmigen Supraleiter tage- und monatelang fließen, ohne an Stromstärke zu verlieren. In einem geschlossenen supraleitenden Ring fließt der induzierte Strom. Dieser erzeugt wiederum ein Magnetfeld, das den kleinen zylinderförmigen Magneten zum Schweben bringt. Die Sprungtemperatur ist für jeden Supraleiter unterschiedlich und somit eine charakteristische Größe. Manche Stoffe werden erst bei sehr hohen Drücken und niedrigen Temperaturen supraleitend. Beispiel: Germanium (4,85 - 5,4 K und ca. 120 kbar) oder Silizium (7,9 K und 120 bis 130 kbar). Durch Versuche konnten Regeln aufgestellt werden, die auf alle bekannten Supraleiter zutreffen. Erstens sind nur Metalle oder Metallverbindungen Supraleiter und zweitens weisen ferromagnetischen Stoffe (z.B. Eisen) niemals Supraleitung auf. Die meisten Stoffe werden erst bei ausreichender Reinheit supraleitfähig. Schon kleinste Verunreinigungen genügen um den Effekt einzugrenzen. Wer hat die Supraleitung entdeckt? Im Jahr 1908 experimentierte der holländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) erstmals mit Leitern bei Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt. 1911 entdeckte er, dass der Widerstand von Quecksilber bei etwa 4 Kelvin auf Null sinkt, und dass er unterhalb dieser Temperatur auch Null bleibt. Obwohl am Leiter keine Spannung anlag, floss ein Strom. Diesen Effekt, den er auch bei anderen Metallen fand, nannte er Supraleitung. In den darauffolgenden Jahren wurden verschiedene Eigenschaften der Supraleiter nachgewiesen und auch noch einige weiter Supraleiter entdeckt, wie zum Beispiel Blei, Zinn und Zink. Alle diese Supraleiter wiesen Sprungtemperaturen bis etwa sieben Kelvin auf. Die Sprungtemperaturen ist die Temperatur, bei der ein Leiter vom normalen in den supraleitenden Zustand übergeht. Da derart niedrige Temperaturen für eine Anwendung unbrauchbar waren wurde diesem Phänomen keine weitere Aufmerksamkeit geschenkt. [Bild: http://www.nobel.se/physics/laureates/1913/onnes.jpg] Erklärung der Supraleitung Zum Verständnis der Supraleitung ist es erforderlich, Leitungsvorgänge in normalen Metallen zu betrachten: Legt man an einen Draht eine Spannung an, so setzen sich Elektronen in Bewegung, ein Strom fließt. Der Widerstand des Drahtes kommt durch Streuung der Elektronen an Störstellen im Metall zustande. Ein weiteres "Hindernis" für die Elektronen sind die Schwingungen der Atomkerne. Diese Wechselwirkung kann aber andererseits zu einem qualitativ anderen Zustand der Elektronen führen. Dabei arrangieren sich die Elektronen mit dem schwingenden Kristallgitter so, daß sie nicht gestreut werden. Die elektrostatische Abstoßung zwischen bestimmten Elektronenpaaren wird überwunden und sie ziehen sich gegenseitig an, es werden sogenannte supraleitende Cooper-Paare gebildet. Der Übergang von einem normalen Leiter zum Supraleiter stellt einen Phasenübergang dar. Das Besondere an der Supraleitung ist nun, dass es sich dabei um ein makroskopisches Phänomen handelt. Alle Cooper-Paare sind Teil desselben quantenmechanischen Zustands, sie sind voneinander abhängig. Wird eine Spannung angelegt, so bewegen sich alle Cooper-Paare in gleicher Weise. Würde ein Cooper-Paar gestreut, so würden auch alle anderen gestreut werden. Somit fließt der Strom aus Cooper-Paaren ohne Widerstand. Wird die Bindungsenergie der Cooper-Paare durch Energieerhöhung überschritten, so stellt sich wieder der normalleitende Zustand ein. Dies kann z.B. durch ein starkes Magnetfeld oder durch Überschreiten der maximalen Stromdichte geschehen.
		Rechts sieht man die Gitterstruktur von Thalliumverbindungen mit unterschiedlich vielen Kupferoxid - Schichten. Die Kupferoxid - Schichten sieht man hier in grün eingezeichnet.		Die anwendungstechnisch interessanteste Art der Supraleitung ist die Hochtemperatursupraleitung. Hochtemperatursupraleiter sind allesamt keramische Oxide mit bis zu 20 Einzelatomen in einer Elementarzelle des Kristalls. Die Sprungtemperatur ist abhängig von der Anzahl der Schichten aus Kupfer- und Sauerstoffatomen innerhalb des Kristalls. Je mehr dieser Schichten auftreten, desto höher ist die Sprungtemperatur, und dadurch geeigneter. Die Vorteile von Hochtemperatursupraleiter liegen eben darin, dass man auch schon mit „höheren" Temperaturen den supraleitenden Effekt erzielt, und damit die Kosten der Kühlung entscheidend verringern kann. Wie wird gekühlt? Bei Temperaturen unter minus 196 Grad Celsius wird mit flüssigem Helium gekühlt, oberhalb davon kann preiswerter und reichlich verfügbarer flüssiger Stickstoff eingesetzt werden. Wo kann die Supraleitung zum Einsatz kommen? Einsatzbereiche sind die "Elektronik" und die "Telekommunikation". Weiters in der Medizintechnik, zum Beispiel bei der Kernspintomographie und beim Nachweis sehr schwacher Magnetfelder, wie zum Beispiel bei Gehirnströme, sowie in der Energietechnik, etwa bei Schaltelementen, Sicherungen, Kabeln, Generatoren und noch vielem mehr. Ausblicke für die Zukunft Betrachtet man die enormen Erkenntnisse, die man in dem kurzen Zeitraum seit der Entdeckung der ersten Supraleiter gemacht hat, kann man durchaus optimistisch in die Zukunft blicken. Besonders die Hochtemperatursupraleitung stellt ein enormes Potential bereit, das aber noch nutzbar gemacht werden muss. Es gibt Ansätze, um sogar Magnetschwebebahnen durch Supraleitende Magnete zu verwirklichen, was zeigt, dass es auf diesem Gebiet wohl nicht allzu schnell zum Stillstand kommen wird. Der Knick im Supraleiter Neue Analysen des photoelektronischen Spektrums von Kupferoxid-Supraleitern haben gezeigt, dass Hochtemperatur-Supraleiter sich ähnlich verhalten wie konventionelle Supraleiter http://www.heise.de/tp/deutsch/inhalt/lis/9218/1.html (02-04-04)
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