Der verschwindende Widerstand

Elektrischer Widerstand des Supraleiters Yttriumkuprat

Bildbeschreibung:
Der elektrische Widerstand von Yttriumkuprat. Unterhalb der Sprungtemperatur von 90 Kelvin verschwindet der Widerstand. (K. F. Renk, Universität Regensburg)

In diesem BCS-Zustand sind die zahllosen Elektronen des Metalls aufgrund ihrer Quantennatur so stark aufeinander abgestimmt, dass sie bei einer äußeren Störung alle in gleicher Weise reagieren. Der mikroskopische Mechanismus, der dies bewirkt, ist eine anziehende Wechselwirkung zwischen den sich normalerweise abstoßenden Elektronen, die auf eine Ankopplung der Elektronen an die Schwingungen der Atome des Metallgitters zurückzuführen ist.

Aufgrund dieser "Elektron-Phonon-Kopplung" bilden sich Cooper-Paare, d. h. Paare von Elektronen mit entgegengesetztem Spin. Die Cooper-Paare befinden sich alle in ein und demselben makroskopischen Quantenzustand: dem supraleitenden Zustand. Nur indem die Cooper-Paare aufbrechen, können die Elektronen den supraleitenden Zustand verlassen. Doch dazu ist ein endlich großer Energiebetrag nötig, der bei niedrigen Temperaturen nicht zur Verfügung steht. Deshalb können sich die Elektronen völlig ungestört im Supraleiter bewegen und deshalb leitet der supraleitende Zustand den elektrischen Strom widerstandsfrei und damit völlig ohne Wärmeverluste (s. Abb. 2). Oberhalb der Sprungtemperatur hingegen können die einzelnen Elektronen durch Zusammenstöße mit den thermisch bewegten Atomen ihre Energie in beliebig kleinen Portionen abgeben. Sie werden abgebremst und es macht sich ein elektrischer Widerstand bemerkbar.

Kristallstruktur von Thalliumkuprat

Bildbeschreibung:
Kristallstruktur von Thalliumkuprat. Auf die atomaren Kupferoxidschichten (CuO2) gehen die elektrischen Eigenschaften der Hochtemperatursupraleiter zurück. (K. F. Renk, Universität Regensburg)