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Widerstand ist zwecklos!

Im Jahre 1911 machte der holländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes (1853- 1923) eine verblüffende Entdeckung. Schon seit einigen Jahren untersuchte der damals 57-jährige Professor mit Materialien bei tiefsten Temperaturen, bei Minusgraden nahe am absoluten Nullpunkt, der bei -273° Celsius liegt.

Es geschah bei Experimenten mit dem Metall Quecksilber. Kamerlingh Onnes stellte zu seiner Überraschung fest, dass dieses schlagartig seinen elektrischen Widerstand verliert, wenn es unter -269° C gekühlt wird. Diesen Zustand nannte der Niederländer "supraleitend". Was zunächst - außer dem Namen - noch nicht spektakulär klingt, gewinnt an Rätselhaftigkeit, wenn man es zu erklären versucht.

Erklärung
In einem elektrischen Leiter gibt es Elektronen, die sich frei durch das Material bewegen können. Wenn diese Ladungen fließen, sprechen wir vom elektrischen Strom. Nun sind die Elektronen nicht allein im Leiter. Da gibt es auch noch die Atome, die sich den Ladungsträgern bisweilen in den Weg schwingen. Die Elektronen stoßen gleichsam dagegen, erfahren einen Widerstand. Auf diese Weise geben sie Energie ab und bringen beispielsweise den Draht in einer Glühbirne zum Leuchten.

Manche Leiter verlieren nun schlagartig ihren elektrischen Widerstand, wenn sie unter eine "kritische" Temperaturen gekühlt werden. Diese Grenzen sind für die verschiedenen Supraleiter unterschiedlich, liegen aber in der Regel deutlich unter minus 240 Grad. Genau so einen Sprung zur Widerstandslosigkeit hatte Kamerlingh Onnes beobachtet.

Heißt das also, dass da keine Atome mehr sind, die den Elektronen im Weg sind? Unmöglich. Also werden die Atome besonders glatt, wenn sie so kalt sind? So wie Eis? Höchst unwahrscheinlich. Nein, nein, hier halfen nur noch komplizierte Theorien. Aber auch die mussten erst einmal gefunden werden. Und so ließ eine Erklärung lange auf sich warten. Bis 1957. Dann nämlich präsentierte das US-Forschertrio John Bardeen, Leon Cooper und J. Robert Schrieffer eine Theorie der Supraleitung, die unter den Namen BCS-Theorie bekannt geworden ist.

BCS-Paarlaufen
Unterhalb der kritischen Temperatur finden sich die Elektronen im Supraleiter zu Paaren zusammen, den so genannten Cooper-Paaren. Weil Elektronen am liebsten so wenig Energie haben wollen wie möglich, ist diese Zweisamkeit ganz praktisch, denn ein Paar ist energieärmer als zwei Singles. Das bedeutet, dass man nur unter Energieaufwand das Elektronenduo wieder trennen kann. Deshalb ist ein Cooper-Paar stabil.

Aufgrund ihrer quantenmechanischen Eigenschaften gehorchen Elektronen-Paare nun völlig anderen Gesetzen als die einzelnen Elektronen: Alle Cooper-Paare im Supraleiter bewegen sich absolut identisch. Kein Durcheinander von Einzelkämpfern, wie beim normalen elektrischen Leiter. Hier wird kollektiv geflossen, die Elektronenduos bilden eine starre Gesamtheit.

Alle für einen
Dieser riesige, den ganzen Supraleiter umfassende Einheitspulk stört sich nicht mehr an Zusammenstößen mit den kleinen Atomen, der Strom fließt ohne Widerstand. Bricht dabei mal an einer Stelle ein Cooper-Paar auseinander, entsteht an anderer Stelle ein neues - der Strom nimmt nicht ab.

Nur wenn es gelingt das Pärchen-Kollektiv insgesamt zu stoppen bricht die Supraleitung zusammen. Aber darauf, dass das von selbst geschieht, kann man lange warten - einige zehntausend Jahre können es schon werden. Angesichts dieser Zeitspanne hatte Kamerlingh Onnes wirklich recht mit seiner Namensgebung: Diese Leiter sind wirklich "supra".

 

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