Der Trick mit dem Temperaturknick

7. Oktober 2003, 19:19
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Den Preis für Physik teilen sich die russischen Forscher Alexei Abrikosov und Vitaly Ginzburg (Bild) und der britische Wissenschafter Anthony Leggett für Erkenntnisse über Supraleitung und Suprafluidität

Stockholm/Wien - Der diesjährige Nobelpreis für Physik zeichnet drei Wissenschafter aus, die sich mit zwei Phänomenen der Quantenmechanik befassen, deren Erforschung bereits zu etlichen Nobelpreisen geführt hat: Wie die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften Dienstag bekannt gab, werden "für bahnbrechende Arbeiten in der Theorie über Supraleiter und Supraflüssigkeiten" die beiden Russen Vitaly Ginzburg und Alexei Abrikosov sowie der Brite Anthony Leggett gemeinsam ausgezeichnet. Obwohl es sich um komplexe Grundlagenforschung handelt, ist das Spektrum ihrer (möglichen) praktischen Anwendung ein großes.

Der Begriff "Supraleitfähigkeit" tauchte erstmals 1911 auf, so benannt von Heike Kammerlingh Onnes. Dem niederländischen Physiker war es drei Jahre zuvor gelungen, das Edelgas Helium zu verflüssigen, und zwar bei einer Temperatur von 4,2 Kelvin (entspricht minus 269 Grad Celsius - der Absolute Nullpunkt liegt bei minus 273 Grad Celsius oder null Kelvin).

1911 kühlte er Quecksilber auf die Temperatur von flüssigem Helium ab - und der elektrische Widerstand des Quecksilbers fiel im Vergleich zur Raumtemperatur um etliche Zehnerpotenzen ab. Mithilfe dieses extremen Temperaturknicks konnte Metall also so weit gebracht werden, dass es Strom ohne elektrische Verluste weiterleitet. Warum?

Widerstand und Wärmeentwicklung

Im diesem Zustand bilden die Strom leitenden negativ geladenen Elektronen in den Leitern trotz ihrer gegenseitigen elektrostatischen Abstoßung Paare. Diese Paare sind gewissermaßen immun gegenüber Stößen mit dem Kristallgitter des Leiters, in das sie eingebettet sind, und verspüren keine Reibung - diese Reibung verursacht Widerstand und Wärmeentwicklung.

Schon Kammerlingh Onnes, 1913 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet, träumte daraufhin von verlustfreien Leitern für Hochfeldmagneten und neuartigen Energieversorgungsnetzen - deren effiziente globale Umsetzung scheitert bis heute an entsprechenden Materialien und Kühlmöglichkeiten. Doch nach der Entdeckung sollten fünfzig Jahre bis zu ersten kommerziellen Anwendungen vergehen.

Supraleiter verdrängen den Magnetfluss

Dies auch wegen einer weiteren Eigenschaft der Supraleiter: Sie verdrängen den Magnetfluss ganz oder teilweise - sobald jedoch Strom fließt, induziert dieser einen Magnetfluss, abhängig von Temperatur und Stromstärke, die ab einem gewissen Maß auch den supersten Supraleiter wieder stinknormal werden lassen.

"Typ-I-Supraleiter" heißen jene, die den Magnetfluss ganz verdrängen. Für ihre Theorie über diese erhielten die US-Physiker John Bardeen, Leon Cooper und Robert Schrieffer 1972 den Nobelpreis. Das Dilemma: Die Theorie erwies sich für alle technisch relevanten Materialien als unzureichend. Bald jedoch tauchten "Typ-II-Supraleiter" auf: Diese lassen Supraleitung und Magnetismus zusammen existieren und bleiben auch in hohem Magnetfeld supraleitend.

Dem diesjährigen Nobelpreisträger Alexei Abrikosov (75), heute am Argonne National Laboratory in Illinois (USA), gelang die theoretische Erklärung dieses Phänomens. Er ging von einer Theorie aus, die von seinem nunmehrigen Nobelpreiskollegen Vitaly Ginzburg (87) vom Lebedev Physical Institute in Moskau für Typ-I-Supraleiter erarbeitet worden war, sich aber als so umfangreich erwies, dass sie auch auf den neuen Typ anwendbar war. - Ginzburg gilt in Russland übrigens als "Vater der Physik", kam von der Astrophysik über die Atomphysik (sein Schüler war unter anderen Andrej Sacharow, dessen Beitrag zur Wasserstoffbombe Ginzburg verfeinerte) zur Quantenphysik.

Obwohl die Theorien der beiden schon in den 1950er-Jahren formuliert wurden, haben sie neue Aktualität durch die Entwicklung von Materialien mit neuen Eigenschaften erhalten. Heute ist bereits bei nur minus 138 Grad Celsius Supraleitung zu erzielen.

Und wie kommt der Brite Anthony Leggett (65), heute an der US-University of Illionis, ins Spiel? Flüssiges Helium kann suprafluid werden, das heißt, die Viskosität (Zähigkeit) verschwindet bei niedrigen Temperaturen - analog dem elektrischen Widerstand bei Supraleitung. Dies deshalb, weil Heliumatome - wie Elektronen in Supraleitern - Paare bilden. Und es war Anthony Leggett, der in den 1970er-Jahren die Theorie formuliert hat, welche erklärt, wie Heliumatome in dem suprafluiden Zustand wechselwirken und geordnet werden.

Theorie und Praxis

Wenngleich die Kenntniss über suprafluide Flüssigkeiten bisher noch keine praktische Anwendung findet, kann sie doch Einsichten darüber geben, wie Materie in ihrem niedrigsten und meistgeordneten Energiezustand auftritt.

Anwendungen der Supraleitung indes gibt es bereits etliche: Sie wird etwa bei Teilchenbeschleunigern wie jenen von Cern in Genf eingesetzt und auch bei so genannten Magnetkameras für medizinische Diagnostik - etwa bei Magnetresonanztomografie, für deren Entwicklung Paul Lauterbur (USA) und Peter Mansfield (GB) heuer den Medizinnobelpreis erhalten. (Andreas Feiertag/DER STANDARD, Printausgabe, 8.10.2003)

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    Vitaly L. Ginzburg

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    Anthony J. Leggett

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    Alexei A. Abrikosov

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