M5 Supraleitende Hochtemperaturkeramik

Thema

Unterhalb einer bestimmten kritischen Temperatur geht diese Keramik in den supraleitenden Bereich über: Sie leitet elektrischen Strom widerstandsfrei. Sinkt die Temperatur der Keramik unter diese kritische Temperatur, fällt ihr Widerstand auf null. Dass der Widerstand der Keramik exakt auf null sinkt und nicht nur auf einen sehr niedrigen Wert, unterscheidet diesen supraleitenden Bereich von allen anderen Bereichen hoher Leitfähigkeit.

Der Widerstandsabfall dieser Keramik auf null unterhalb der kritischen Temperatur ist darauf zurückzuführen, dass sich in diesem Bereich die stromführenden Elektronen nicht mehr einzeln bewegen, sondern Cooper-Paare bilden: Jedes Cooper-Paar durchläuft die Keramik, ohne wie ein einzelnes Elektron an der Kristallstruktur gestreut zu werden. Dieses Fehlen von Streuung ermöglicht den widerstandsfreien Stromtransport. Die Paarbildung der Elektronen in Cooper-Paaren bewirkt, dass der Stromtransport in dieser Keramik unterhalb der kritischen Temperatur widerstandsfrei erfolgt.

Dieser supraleitende Zustand, vermittelt durch Cooper-Paare, bleibt nicht bei jedem Stromfluss durch die Keramik erhalten: Die kritische Stromdichte, wie im Kim-Modell beschrieben, begrenzt, in welchem ​​Umfang die Keramik in diesem supraleitenden Zustand verbleibt. Ist die Stromdichte größer als diese kritische Stromdichte, brechen die Cooper-Paare zusammen und die Keramik verliert ihre Supraleitung; bleibt die Stromdichte unterhalb dieser Grenze, bleibt die Keramik supraleitend.

Derselbe supraleitende Zustand bleibt auch nicht bei jedem Magnetfeld erhalten, das an die Keramik angelegt wird: Das obere kritische Feld, wie in der Ginzburg-Landau-Theorie beschrieben, bestimmt zusammen mit der bereits erwähnten kritischen Temperatur und kritischen Stromdichte, in welchem ​​Umfang die Keramik ihre Supraleitung beibehält. Ist das angelegte Magnetfeld größer als dieses obere kritische Feld, brechen die Cooper-Paare erneut zusammen und die Keramik verliert ihre Supraleitung. Dass das Magnetfeld unterhalb dieser Grenze bleibt, ermöglicht es der Keramik, ihren supraleitenden Zustand beizubehalten.

Dieses Modell mit seinem widerstandslosen Stromtransport unterscheidet sich daher explizit von einem anderen Modell dieser Gruppe, das den Ionentransport beschreibt: Während sich in jenem anderen Modell die Ionen, ermöglicht durch einen Punktdefekt im Kristallgitter, durch den Kristall bewegen, vermittelt in diesem Modell das Cooper-Paar und nicht etwa ein Ion den Stromtransport. Die Tatsache, dass dieser widerstandslose Transport von den drei durch dieses Modell festgelegten Grenzen – der kritischen Temperatur, der kritischen Stromdichte und dem oberen kritischen Feld – abhängt, macht die Supraleitung dieser Keramik zu einem begrenzten Bereich und nicht zu einer unbedingten Materialeigenschaft.

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