Liste von Supraleitern und deren Funktionsweise

Einführung

Supraleitung ist ein faszinierendes Phänomen in der Physik, bei dem bestimmte Materialien, wenn sie unter eine kritische Temperatur abgekühlt werden, einen elektrischen Widerstand von Null aufweisen und Magnetfelder ausstoßen. Dies macht sie für verschiedene Anwendungen unverzichtbar, z. B. in der medizinischen Bildgebung, bei der Energiespeicherung und im Verkehrswesen. Erläutern wir die Funktionsweise von Supraleitern anhand von zehn Beispielen für supraleitende Materialien.

Wie Supraleiter funktionieren

Supraleitfähigkeit tritt auf, wenn sich die Elektronen eines Materials zu sogenannten Cooper-Paaren zusammenschließen. Diese Paare bewegen sich ohne Streuung durch das Material, was den elektrischen Widerstand verursacht. In normalen Leitern wie Kupfer oder Aluminium erfahren die Elektronen einen Widerstand, wenn sie mit Atomen zusammenstoßen, was zu Energieverlusten führt. In Supraleitern jedoch tritt dieses Phänomen des widerstandslosen Stromflusses auf, sobald das Material unter eine kritische Temperatur abgekühlt wird, so dass die Energie ohne Verlust fließen kann.

Auf der Quantenebene wird die Supraleitung durch die BCS-Theorie (Bardeen, Cooper und Schrieffer) erklärt. Diese Theorie beschreibt, wie die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Schwingungen im Kristallgitter zur Bildung von Cooper-Paaren führt. Diese Paare bewegen sich gemeinsam und ohne Streuung, wodurch das Material in der Lage ist, Elektrizität ohne Energieverlust zu leiten.

Supraleitende Eigenschaften

Supraleiter haben eine Reihe einzigartiger Eigenschaften, die sie von anderen Materialien abheben:

Abbildung 1 Kritische Temperatur von Supraleitern[1]

• Kein elektrischer Widerstand: Die wichtigste Eigenschaft von Supraleitern besteht darin, dass sie Strom ohne jeglichen Widerstand fließen lassen, wodurch Energieverluste bei der Übertragung vermieden werden.
• Meissner-Effekt: Supraleiter weisen den Meissner-Effekt auf, bei dem sie beim Übergang in den supraleitenden Zustand Magnetfelder aus ihrem Inneren ausstoßen. Dieses Phänomen ermöglicht Anwendungen wie das magnetische Schweben.
• Kritische Temperatur (Tc): Jeder Supraleiter hat eine bestimmte kritische Temperatur, unterhalb derer er Supraleitfähigkeit zeigt. Diese Temperatur variiert je nach Material. Bei einigen Hochtemperatursupraleitern liegt die kritische Temperatur beispielsweise über dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff (-196 °C).
• Quantenschwebezustand: Supraleiter können aufgrund der Wechselwirkung zwischen den vom Supraleiter ausgestoßenen Magnetfeldern und dem vom Magneten erzeugten Feld über Magneten schweben. Dieses Prinzip wird in Technologien wie Magnetschwebebahnen genutzt.
• Hohe Strombelastbarkeit: Supraleiter können sehr viel höhere elektrische Ströme übertragen als herkömmliche Leiter, was sie ideal für den Einsatz in Hochenergieanwendungen wie Teilchenbeschleunigern macht.

10 Beispiele von Supraleitern

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1. Niob (Nb) Niob ist aufgrund seiner relativ hohen kritischen Temperatur von 9,25 K und seiner einfachen Verwendung in praktischen Anwendungen wie MRT-Geräten und Teilchenbeschleunigern einer der am häufigsten verwendeten Supraleiter.
2. Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid (YBCO) YBCO ist ein Hochtemperatursupraleiter mit einer kritischen Temperatur von etwa 93 K und eignet sich daher ideal für Anwendungen in der Energiewirtschaft, einschließlich Stromkabeln und magnetischen Abschirmungen.
3. Magnesiumdiborid (MgB2) Magnesiumdiborid mit einer kritischen Temperatur von 39 K ist ein relativ kostengünstiger Supraleiter. Es findet Anwendung in der Elektronik, der Energiespeicherung und der MRT-Technologie.
4. Blei (Pb) Blei war eines der ersten Materialien, das Supraleitfähigkeit zeigte. Seine kritische Temperatur liegt bei 7,2 K, und es wird in verschiedenen wissenschaftlichen Experimenten und Anwendungen eingesetzt, die niedrige Temperaturen erfordern.
5. Bismut-Strontium-Calcium-Kupfer-Oxid (BSCCO) BSCCO ist ein weiterer Hochtemperatursupraleiter mit einer kritischen Temperatur von etwa 108 K. Er wird in Stromkabeln, Magneten und anderen elektrischen Geräten verwendet.
6. Supraleiter auf Eisenbasis Supraleiter auf Eisenbasis, eine relativ neue Klasse, die 2008 entdeckt wurde, sind für ihre hohen kritischen Temperaturen und ihr Potenzial für Elektronik- und Energieanwendungen bekannt.
7. Wolfram (W) Wolfram ist ein Material mit hoher Dichte, das bereits bei sehr niedrigen Temperaturen supraleitend ist, was es für bestimmte Nischenanwendungen, darunter Hochfeldmagnete, nützlich macht.
8. Vanadium-Gallium (V3Ga) Vanadium-Gallium ist ein Supraleiter mit einer relativ hohen kritischen Temperatur von 13,8 K. Er wird in Anwendungen eingesetzt, die sowohl Supraleitung als auch hohe Magnetfelder erfordern.
9. Kupferoxid (CuO) Kupferoxid ist ein Beispiel für einen Hochtemperatursupraleiter, der bei über 77 K, der Temperatur von flüssigem Stickstoff, arbeitet. Es wird in modernen elektrischen und elektronischen Geräten verwendet.
10. Lanthan-Strontium-Kupferoxid (LSCO) LSCO gehört zur Klasse der Hochtemperatursupraleiter und wird in der Forschung und Elektronik eingesetzt, u. a. in Geräten, die einen geringen Energieverlust erfordern.

Liste von Supraleitern

Hier finden Sie eine Übersichtstabelle mit häufigeren Beispielen von Supraleitern. Weitere Informationen und Beispiele finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

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Schlussfolgerung

Mit einem elektrischen Widerstand von Null und einzigartigen magnetischen Eigenschaften revolutionieren Supraleiter Bereiche von der medizinischen Bildgebung bis zum Transportwesen. Es ist wahrscheinlich, dass im Zuge der weiteren Forschung neue Materialien mit höheren kritischen Temperaturen entdeckt werden, die noch mehr Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.

Referenz:

[1] Lebrun, Philippe & Tavian, Laurent & Vandoni, Giovanna & Wagner, U. (2002). Kryogenik für Teilchenbeschleuniger und Detektoren.

[2] Yao, Chao & Ma, Yanwei. (2021). Supraleitende Materialien: Herausforderungen und Möglichkeiten für großtechnische Anwendungen. iScience. 24. 102541. 10.1016/j.isci.2021.102541.

[3] Liste von Supraleitern. (2024, 16. August). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_superconductors