Überrumpelter Supraleiter

  • 07. November 2003

Überrumpelter Supraleiter

Forscher in Israel haben eine Keramikschicht so schnell in den supraleitenden Zustand abgekühlt, dass unabhängige supraleitende Bereiche entstanden. Etwas Ähnliches könnte sich auch im frühen Universum abgespielt haben.

Viele Substanzen gehen bei Abkühlung von einem ungeordneten in einen geordneten Zustand über, bei dem in irgendeiner Weise eine Richtung ausgezeichnet ist. In einem Ferromagneten etwa zeigen dann die Spins in eine Richtung, in einem Flüssigkristall sind die stäbchenförmigen Moleküle alle gleich ausgerichtet. Auch in einem Supraleiter kommt es zur Ausrichtung.

Der supraleitende Zustand, in den ein Supraleiter bei hinreichender Abkühlung übergeht, wird durch eine Wellenfunktion beschrieben, die einen komplexen Zahlenwert hat. Die Phase der Wellenfunktion nimmt einen zufälligen Wert zwischen 0 und 2π an. Auch hier ist also wieder eine Richtung ausgezeichnet, diesmal in der komplexen Zahlenebene.

Bringt man eine Materialprobe, die aus einem Supraleiter besteht, sehr schnell in den supraleitenden Zustand, dann haben die unterschiedlichen Bereiche in der Probe keine Zeit, sich miteinander abzustimmen. Die Phase der Wellenfunktion nimmt deshalb in den unterschiedlichen Bereichen voneinander unabhängige und im Allgemeinen unterschiedliche Werte an: Dort wo die Bereiche aneinanderstoßen, kommt es zu topologischen Defekten. Im Falle eines Supraleiters sind dies magnetische Flusslinien. Der durch schnelle Abkühlung überrumpelte Supraleiter sollte also von Flusslinien durchsetzt sein.

Im frühen Universum hat ebenfalls eine sehr schnelle Abkühlung stattgefunden, die zu einer Reihe von symmetriebrechenden Zustandsänderungen des Vakuums geführt haben könnte. Auch in diesem Fall wären topologische Defekte die Folge gewesen, so genannte kosmische Strings. Mit Hilfe von Modellen kann man die Dichte dieser Defekte im Universum berechnen. Um die Modelle experimentell zu überprüfen, hatte Wojciech Zurek aus Los Alamos vor einigen Jahren vorgeschlagen, die Entstehung von topologischen Defekten in Supraleitern und Supraflüssigkeiten zu untersuchen.

Bei Experimenten mit supraflüssigem Helium-3 konnte man tatsächlich durch schnelle Abkühlung Defekte erzeugen, in Helium-4 gelang das bisher nicht. Auch mit homogenen supraleitenden Proben hatte man zunächst keinen Erfolg, wie Emil Polturak und seine Kollegen vom Technion in Haifa vor einigen Jahren berichteten. Doch jetzt haben sie ihr damaliges Experiment in erheblich verbesserter Form wiederholt.

Zunächst trugen sie eine 300 nm dicke Schicht des Hochtemperatursupraleiters YBCO auf ein 6 mm großes Scheibchen aus Bariumtitanat auf. Dann kühlten sie das Scheibchen auf eine Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur von 90 K ab, bei der YBCO supraleitend wird. Anschließend wurde die Schicht mit einem gepulsten Nd:YAG-Laser bestrahlt. Die Energie eines einzelnen, 10 ns langen Lichtpulses reichte aus, um die Schicht über die kritische Temperatur hinaus zu erwärmen, sodass die Supraleitung verschwand. Allerdings kühlte die Schicht sogleich wieder aus und wurde erneut supraleitend. Auf diese Weise erreichten die Forscher Änderungsgeschwindigkeiten der Temperatur von über 10 8 K/s. Das reichte aus, um den Supraleiter zu überrumpeln.

Die Forscher wiederholten ihr Experiment einige hundert Mal und maßen mit einem SQUID, wie groß die Magnetisierung der YBCO-Schicht jeweils war. Die bei der Abkühlung zufällig entstandenen magnetischen Flusslinien konnten sowohl in die Schicht als auch aus ihr heraus zeigen. Die gesamte Magnetisierung der Schicht ergab sich aus der Differenz der beiden Flusslinienanzahlen. Im Mittel war keine der beiden Richtung ausgezeichnet und es gab zumeist keine Magnetisierung. Doch in vielen Fällen behielten die Flusslinien einer Ausrichtung die Überhand, und die YBCO-Schicht war magnetisiert. Die mittlere Schwankung der Magnetisierung zeigte tatsächlich die Abhängigkeit von der Temperaturänderungsrate, die Zurek vorhergesagt hatte: ΔM ~ (dT/dt) 1/8. Kosmologische Experimente im Labor zu machen ist also doch nicht so verrückt, wie es zunächst klingt.

Rainer Scharf

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