Dotierter Supraleiter bricht Rekord

  • 07. May 2004



Der Supraleiter Magnesiumdiborid kann wesentlich stärkeren Magnetfeldern standhalten, wenn er mit Kohlenstoff dotiert wurde.

Der vor drei Jahren entdeckte Supraleiter Magnesiumdiborid sorgt, ob in reiner oder in dotierter Form, für Überraschungen. Reines MgB 2 wird unterhalb von 40 K supraleitend und muss deshalb nicht mit teurem He gekühlt werden. Mit dieser Sprungtemperatur kommt es zwar nicht gegen die kupferoxidhaltigen keramischen Hochtemperatursupraleiter an, deren Temperaturrekord inzwischen bei 160 K liegt. Aber unter den intermetallischen Verbindungen hat es den jahrzehntelang gültigen Rekord des Nb 3Ge von 23 K souverän gebrochen.

Die entscheidende Rolle bei der Supraleitung des MgB 2 spielen die Elektronen der Boratome. Im Kristallgitter bilden die Boratome bienenwabenförmige Ebenen, die jeweils von Ebenen der hexagonal angeordneten Magnesiumatome eingeschlossen sind. Damit die Supraleitung zustande kommt, müssen sich die Bor-Elektronen anziehen und so genannte Cooper-Paare bilden. Die Anziehungskraft zwischen den Elektronen wird durch deren Wechselwirkung mit den Schwingungen der Boratome verursacht. Besonders stark ist die Anziehungskraft, wenn sich die Elektronen und die Boratome in den bienenwabenförmigen Ebenen bewegen. Diese enge Abstimmung zwischen den Elektronen und Boratomen liegt der relativ hohen Sprungtemperatur des MgB 2 zugrunde.

Doch bei der praktischen Anwendung eines Supraleiters zum Beispiel in Drähten zählt nicht nur eine möglichst hohe Sprungtemperatur, sondern auch ein möglichst hohes kritisches Magnetfeld. Erst wenn der Supraleiter einem Magnetfeld ausgesetzt wird, das stärker ist als das kritische Feld, bricht die Supraleitung zusammen. Diese Widerstandskraft entscheidet auch darüber, wie stark die Ströme sind, die in einem supraleitenden Draht fließen können und wie stark die Magnetfelder sind, die man mit einer supraleitenden Spule erzeugen kann. Paul Canfield und seine Kollegen von Ames Laboratory und der Iowa State University haben nun herausgefunden, dass man das kritische Magnetfeld von MgB 2 verdoppeln kann, wenn man diesen intermetallischen Supraleiter mit Kohlenstoffatomen dotiert.

Während das kritische Magnetfeld von reinem MgB 2 bei 16 T liegt, erreicht es 32 T, wenn man 3,8 % der Boratome durch Kohlenstoffatome ersetzt. Dabei verringert sich die Sprungtemperatur nur unwesentlich auf 36 K. Das dotierte Magnesiumdiborid übertrifft damit nicht nur die Sprungtemperatur sondern auch das kritische Feld der anderen, industriell genutzten intermetallischen Supraleiter wie Nb 3Sn. Darüber hinaus hat MgB 2 auch ein deutlich geringer spezifisches Gewicht und ist zudem noch wesentlich preiswerter. So ließen sich billigere und leichtere supraleitende Drähte herstellen. Für dünne Schichten aus MgB 2 hat man sogar schon kritische Magnetfelder von 47 T gemessen bei Sprungtemperaturen von 31 K. Solche supraleitenden Schichten könnten z. B. in SQUIDs genutzt werden.

Rainer Scharf

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