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Einzeln oder gepaart?

Elektronen bilden im supraleitenden Zustand Cooper-Paare. Kleinste magnetische Störstellen können die paarende Wechselwirkung lokal reduzieren und vollkommen zerstören.

  • Katharina J. Franke
  • 09 / 2012 Seite: 53

 Supraleitung und Magnetismus sind Phänomene, die nicht gleichzeitig im selben Material existieren können: Schwache Magnetfelder werden aus dem Inneren des Supraleiters verdrängt, während starke Magnetfelder die Supraleitung zerstören. Mitunter kommt der abschirmende Kondo-Effekt hinzu. Doch unter welchen Bedingungen kann er die Cooper-Paare vor dem Aufbrechen schützen?

Zwei spektakuläre Eigenschaften beschreiben das Phänomen der Supraleitung: Der elektrische Widerstand fällt unterhalb einer charakteristischen Sprungtemperatur plötzlich ab. Diesen widerstandslosen Stromtransport, der breite technologische Anwendung findet, entdeckte Heike Kammerlingh Onnes 1911 beim Abkühlen von Quecksilber. Die zweite faszinierende Eigenschaft ist der Meißner-Ochsenfeld-Effekt, der sich z. B. darin zeigt, dass ein Magnet über einem Supraleiter schwebt. Grund dafür ist, dass ein solcher Supraleiter ein perfekter Diamagnet ist, der das Magnetfeld komplett aus seinem Inneren verdrängt. Ist jedoch die Stärke des äußeren Magnetfelds zu hoch, so reicht der Meißner-Ochsenfeld-Effekt nicht aus, um das Magnetfeld im Supraleiter abzuschirmen. In der Folge bricht der supraleitende Zustand zusammen. Diese Eigenschaften zeigen, dass die Phänomene Supraleitung und Magnetismus offenbar nicht gleichzeitig im selben Material auftreten können. Trotz der spannenden Entdeckung von exotischen Supraleitern, in denen magnetische Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle spielen, beschränken wir uns hier auf die herkömmlichen Typ-I-Supraleiter.

Gemäß der atomistischen Erklärung der Supraleitung durch Bardeen, Cooper und Schrieffer (1957) schließen sich Elektronen zu Cooper-Paaren zusammen (BCS-Theorie), die völlig andere Eigenschaften als die ungepaarten Elektronen haben und für den widerstandslosen Fluss von Strom verantwortlich sind. Die Paare setzen sich aus Elektronen mit entgegengesetztem Spin und Impuls zusammen, deren Anziehung Schwingungen des Kristallgitters (Phononen) vermitteln. ...

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