Ohne jeden Widerstand

Ohne jeden Widerstand

Alexey Levin
"Popular Mechanics" №8, 2011

Dieses Jahr markiert 100 Jahre seit der Entdeckung der Supraleitung.

Physiker des späten 19. Jahrhunderts waren sehr daran interessiert, wie sich die elektrische Leitfähigkeit von Metallen bei extrem niedrigen Temperaturen verhält. Aus diesem Grunde gab es verschiedene Theorien, deren Anwendbarkeit nahe dem absoluten Nullpunkt jedoch zweifelhaft erschien. Im Dezember 1910 begann Kamerlingh Onnes, zusammen mit Cornelis Dorsman und Gilles Holst, Experimente. Zunächst maßen sie die Temperaturabhängigkeit des Widerstands von Platindraht, der mit flüssigem Helium gekühlt wurde. Es stellte sich heraus, dass es mit der Temperatur abnimmt, aber unter 4,25 K wird es konstant. Kamerlingh Onnes glaubte, dass ein chemisch reines Metall nahe dem absoluten Nullpunkt frei fließen müsse, und erklärte den Restwiderstand gegen den Einfluss von Verunreinigungen. In Zukunft entschied er sich für Quecksilber, das durch wiederholte Destillation im Vakuum gereinigt werden kann. Flüssiges Quecksilber wurde bei Raumtemperatur in dünne Kapillaren gegossen und in einem Heliumkryostaten abgekühlt, wonach sein Widerstand gemessen wurde. An dem bemerkenswerten Tag des 8. April 1911 war Kamerlingh Onnes nur davon überzeugt, daß der Widerstand von Quecksilber bei Abkühlung von 4,3 auf 3 K fast auf Null abfällt.In einem wiederholten Experiment am 11. Mai entdeckte er, dass Quecksilber seine Widerstandsfähigkeit verliert, wenn es auf 4,2 K abgekühlt wird (tatsächlich war seine Temperaturskala nicht ganz korrekt, tatsächlich wird reines Quecksilber bei 4,15 K ein Supraleiter).

Kamerlingh Onnes erkannte, dass das plötzliche Verschwinden des elektrischen Widerstands von Quecksilber (oder zumindest sein Abfall auf nicht messbare Werte) keine theoretische Erklärung hat. Er kam zu dem Schluss, dass Quecksilber in einen neuen Zustand überging, den er als supraleitend bezeichnete (die Temperatur eines solchen Übergangs heißt jetzt kritisch Tc).

Später, unter der Führung von Kamerlingh Onnes in Leiden, wurden vier weitere Supraleiter entdeckt – Zinn und Blei (1912), Thallium (1919) und Indium (1923). Aber die interessantesten Entdeckungen seines Labors waren das nicht. Bereits im Herbst 1911 wurde beobachtet, dass die Supraleitung von Quecksilber zusammenbricht, wenn die Stromdichte über eine bestimmte Grenze steigt, die mit abnehmender Temperatur zunimmt. Weitere Experimente haben gezeigt, dass, wenn der supraleitende Draht zu einer Spirale gefaltet wird, diese Schwelle mehrmals abnimmt. Zinn- und Bleidrahtspulen, die für diese Experimente hergestellt wurden, waren die ersten supraleitenden Magneten auf der Welt.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Supraleitung durch ein Magnetfeld zerstört wird (das bei gleicher Stromstärke im Inneren des Solenoids viel stärker ist als bei einem linearen Leiter). Seltsamerweise dachte Kamerlingh Onnes über diese Möglichkeit nicht nach und erklärte das Verschwinden der Supraleitung durch schlechte Kühlung der Spulen. Er interessierte sich jedoch sehr für den Einfluss eines externen Magnetfeldes auf das Verhalten eines Supraleiters. Als er 1914 mit diesen Studien begann, kam er bald zu der Überzeugung, dass ein Spannungsfeld von nur wenigen hundert Oersted zu den gleichen Auswirkungen führte wie das Erhitzen, das heißt, die Supraleitung abschaffte. Obwohl Kamerlingh Onnes diese Schlussfolgerung eindeutig formulierte und zeigte, dass der Schwellenwert des Magnetfeldes (in der modernen Terminologie das kritische Feld Hc) mit abnehmender Temperatur wie der Schwellenwert der Stromdichte ansteigt, sah er keinen Zusammenhang zwischen diesen Phänomenen. Und erst 1916 äußerte der amerikanische Physiker Francis Brigg Silsby die Hypothese, dass die Supraleitung in beiden Fällen unabhängig von ihrer Quelle durch ein Magnetfeld zerstört wird.

Im Jahr 1914, Kamerlingh Onnes neu definiert die Entstehung von supraleitenden Strom.Bei Raumtemperatur wurde die Spule des Leitungsdrahts in einem Magnetfeld auf ungefähr 2 K abgekühlt, wonach das durch den Elektromagneten erzeugte Feld abgeschaltet wurde. In der Spule erschien ein Induktionsstrom, der mit seinem Magnetfeld die magnetisierte Nadel über der Spule schwebte. Während dieser anderthalb Stunden, in denen die Spule in einem Kryostaten gehalten wurde, nahm die Stromstärke praktisch nicht ab. Wenn es nicht supraleitend wäre, würde der Strom natürlich in einem unbedeutenden Bruchteil einer Sekunde gedämpft werden.

Supraleitung und Magnetismus

Nach Kamerlingh Onnes wurde das Labor von Willem Keez und Vander de Haas geleitet. In den späten 1920er Jahren fanden sie heraus, dass nicht nur Metalle Supraleiter, sondern auch bimetallische Verbindungen sind, und ihre magnetischen Schwellenfelder können viele tausend Oersted sein, was zehn Mal höher ist als die von reinen Metallen. Sie bewiesen auch, dass die Anwendung eines externen Magnetfeldes die kritische Temperatur senkt.

Zu dieser Zeit beschäftigte sich die Supraleitung nicht nur in den Niederlanden. Der zweite Heliumverflüssigungskomplex wurde 1923 an der Universität Toronto in Betrieb genommen, der dritte zwei Jahre später im kryogenen Labor des Kaiserlichen Physik- und Technologiezentrums im Berliner Stadtteil Charlottenburg.Von 1928 bis 1930 wurde dort die Supraleitung von Tantal, Thorium und Niob nachgewiesen. Und Laborleiter Walter Meissner und sein Assistent Robert Oxenfeld fanden 1933 ein paradoxes Merkmal in Supraleitern, das heute als fundamentaler angesehen wird als die Fähigkeit, elektrischen Strom störungsfrei zu leiten.

Der Meissner-Oxenfeld-Effekt wurde wie die Supraleitung zufällig entdeckt. Zu dieser Zeit wurden Supraleiter nur als ideale Leiter ohne Widerstand wahrgenommen. 1925 fand Gertrud de Haaz-Lorenz (Ehefrau von Vander de Haas und Tochter des großen niederländischen Physikers Hendrik Lorenz) theoretisch heraus, dass in solchen Materialien elektrische Ströme nur in der etwa 50 nm dicken Oberflächenschicht fließen (die Schätzung erwies sich als äußerst genau – zum Beispiel für Blei) diese Zahl ist 40 nm). Einige Jahre später erzielten deutsche Physiker ähnliche Ergebnisse. Meissner wollte diese Theorie experimentell prüfen. Da es unmöglich war, in einen Supraleiter zu schauen, entschloss er sich, die von supraleitenden Strömen erzeugten Magnetfelder zu untersuchen. Hier war er überrascht. Es stellte sich heraus, dass Supraleiter auf völlig andere Weise mit einem Magnetfeld interagieren als ideale Leiter mit ihm interagieren sollten (siehe Seitenleiste).Die Experimente von Meissner und Oxenfeld zeigten, dass innerhalb des Supraleiters das Magnetfeld Null wird, dh der Übergang in den supraleitenden Zustand führt zu einem perfekten Diamagnetismus (Substanzen, in denen das äußere Magnetfeld geschwächt ist, werden diamagnetisch genannt). Diese Ergebnisse sahen völlig paradox aus. Wiederholte wiederholte Experimente bestätigten, dass schwache Magnetfelder nicht in feste Supraleiter eindringen, obwohl sie Ringe und hohle Zylinder passieren.

Meissner-Oxenfeld-Effekt

Wie verhalten sich ideale Leiter in einem Magnetfeld? Nehmen Sie eine Metallprobe mit einer einfachen Geometrie (eine Kugel oder ein dünner langer Zylinder) und legen Sie sie bei Raumtemperatur in ein konstantes homogenes Magnetfeld. Wie aus dem Schulunterricht der Physik bekannt ist, wird das Feld über seine gesamte Dicke in die Probe eindringen. Verringern Sie die Temperatur unter dem kritischen Wert, damit sich die Probe im Zustand eines idealen Leiters befindet. Ein solcher Übergang beeinflusst in keiner Weise das Magnetfeld, das immer noch in die Probe eindringt. Nach dem Trennen des Feldes innerhalb des idealen Leiters bleibt der Magnetismus aufgrund des Auftretens von Induktionsströmen erhalten (erinnern Sie sich an die Lenz-Regel), aber das äußere Feld ändert sich natürlich.

Jetzt werden wir ähnliche Operationen in umgekehrter Reihenfolge durchführen: zuerst die Probe kühlen und dann das Magnetfeld einschalten. Ein idealer Leiter wird die magnetischen Kraftlinien vollständig verdrängen und auf seiner Oberfläche abschirmende Induktionsströme erzeugen. Aber nachdem wir die Temperatur erhöht haben und den idealen Leiter in ein gewöhnliches Metall verwandelt haben, wird das Magnetfeld wieder in die Probe eindringen.

Meissner und Oxenfeld haben in Experimenten mit Zinn- und Bleizylindern festgestellt, dass diese Vorhersage nur zur Hälfte erfüllt ist. In der zweiten Version der Erfahrung verhält sich der Supraleiter wirklich so, wie er für einen idealen Leiter sein sollte. Die erste Version (Kühlung in einem konstanten Magnetfeld) führt jedoch zu einem völlig unerwarteten Ergebnis. Nach dem Übergang in den supraleitenden Zustand drückt die Probe den magnetischen Fluss vollständig, so dass die magnetische Induktion im Inneren Null wird. Es sieht so aus, dass in diesem Fall auch nicht-dämpfende Ströme auf der Oberfläche des Supraleiters auftreten, die seinen inneren Teil vom externen Magnetfeld abschirmen. Experimentatoren auch gefundendass bei der nachfolgenden Trennung des Feldes die Probe ihre Magnetisierung verliert. Daraus folgt, dass die Ströme verschwinden, obwohl sie im idealen Leiter erhalten bleiben müssen.

Klassische Sackgasse

Nach dem Tod von Onnes wurde die Quantentheorie von Metallen und Legierungen entwickelt, die Hoffnung auf eine Erklärung der Supraleitung versprach. Weltklassetheoretiker wie Werner Heisenberg und Wolfgang Pauli, Niels Bor und Hans Bethe, Lev Landau und Jacob Frenkel, Neville Mott und Hendrik Casimir suchten ihn, und das ist keine vollständige Liste. Die Supraleitung blieb jedoch lange Zeit ein uneinnehmbares Geheimnis. Einer der Begründer der Quantentheorie von Festkörpern, Felix Bloch, prophezeite Anfang der 1930er Jahre, dass jede Theorie der Supraleitung mit der Zeit widerlegt werden würde. Diese Prognose dauerte 20 Jahre.

Im Jahr 1932 schlug der niederländische Theoretiker Ralph Kronig ein Modell vor, bei dem Elektronen in einem Supraleiter eine Art Kristallgitter bilden, in dem eindimensionale elektronische Ketten, die elektrischen Strom führen, frei gleiten. Zwei Jahre später entwickelten Cornelis Gorter und Hendrik Casimir diese Idee zu einer Theorie.Sie argumentiert, dass in der Nähe des absoluten Nullpunkts in Supraleitern fast alle Leitungselektronen zu einer "kristallinen Phase" kondensieren, aber ein kleiner Teil von ihnen bleibt in Form von freiem Gas. "Kristallisierte" Elektronen übertragen den Transportstrom ohne Widerstand und "Gas" wird immer noch durch thermische Schwingungen und Gitterdefekte gestreut. Beim Erhitzen steigt der Gasanteil und erreicht bei kritischer Temperatur 100%. Das Gorter- und Casimir-Modell basierte auf der klassischen Thermodynamik und Elektrodynamik, und die Quantenmechanik wurde nicht verwendet. Dieses Modell könnte sogar teilweise mit den Ergebnissen der Experimente übereinstimmen, aber es sah immer noch extrem künstlich aus.

Die Aufgabe der Theoretiker war tatsächlich nicht einfach. Für eine sinnvolle Interpretation des Meissner-Oxenfeld-Effektes musste man zugeben, dass beim Übergang in den supraleitenden Zustand in einem konstanten Magnetfeld persistente Oberflächenströme in der Probe auftreten. Aber nach den klassischen Maxwell-Gleichungen wird der elektrische Strom nur durch Änderungen im Magnetfeld induziert.Die Theorie der Festkörper argumentierte, dass diese Schlussfolgerung für Leitungselektronen in einem normalen Metall ziemlich wahr ist. Es blieb die Annahme, dass die gegenwärtigen Träger in Supraleitern in einem exotischen Zustand sind, um zu beschreiben, welche neuen Modelle benötigt wurden.

Erste Quantenschritte

Das erste derartige Modell wurde 1934 von Fritz und Heinz Londons entwickelt, deutschen Physikern, die nach der Machtübernahme Hitlers nach England auswanderten. Die Londoner Brüder arbeiteten im Clarendon Laboratory der Universität Oxford, wo zu dieser Zeit das erste britische Kryozentrum mit einem Komplex zur Verflüssigung von Helium eröffnet wurde. Sie postulierten zwei Gleichungen, die die Beziehung zwischen dem supraleitenden Strom, der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Induktion beschreiben. Aus diesen Gleichungen folgt, dass sich das äußere Magnetfeld innerhalb des Supraleiters nur innerhalb einer sehr dünnen Schicht ausbreitet, die als London-Eindringtiefe (50-500 nm) bezeichnet wird.

Supraleiter vom Typ I und II

Die überzeugendsten Ergebnisse in der Wechselwirkung von Supraleitern und dem Magnetfeld wurden unter der Leitung eines bemerkenswerten Experimentators Lev Shubnikov inkryogenes Labor des Ukrainischen Physikalisch-Technischen Instituts in Kharkov, wo 1933 ein Verflüssigerverflüssiger installiert wurde. Shubnikov entdeckte, dass supraleitende Legierungen im Gegensatz zu reinen Metallen nicht ein, sondern zwei kritische Magnetfelder haben – das untere und das obere (jetzt werden sie als H bezeichnet)c1 und Hc2). Äußere Magnetfelder kleiner als Hc1, dringen überhaupt nicht in die Legierung ein und verhalten sich daher wie ein reines supraleitendes Metall. Bei weiterer Zunahme der Intensität beginnt das äußere Feld in die Probe einzudringen, aber sein elektrischer Widerstand bleibt Null. Wenn das Feld H wirdc2die Legierung hört auf, supraleitend zu sein. Ein solcher Supraleiter befindet sich im Bereich äußerer Felder von unterkritisch bis oberkritisch in einem Zwischenzustand, in dem der Meissner-Oxenfeld-Effekt nicht mehr funktioniert. Zwei reine Metalle, Vanadium und Niob, verhalten sich ähnlich. Dies konnte erst 20 Jahre später erklärt werden. Solche Supraleiter werden jetzt Supraleiter vom Typ II genannt, und reine Metalle (und einige Legierungen), die dem Meissner-Effekt vollständig folgen, werden als Supraleiter vom Typ I klassifiziert.

Die Theorie von London war der Gipfel des Verständnisses für die Natur der Supraleitung, die in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts erreicht wurde.Es beschreibt gut das Verhalten eines Supraleiters in einem externen Magnetfeld, das viel niedriger ist als Hc (oder Hc1). Die Gleichungen von London enthalten noch keine Planck-Konstante und sind daher formal nicht mit der Quantenphysik verwandt. Aber 1935 kam Fritz London zu der Schlussfolgerung, dass Elektronen in Supraleitern in stationären Quantenzuständen sind, die zu einem gewissen Grad den Zuständen von Elektronen in intramolekularen Bahnen ähnlich sind. Er war der Erste in der Welt, der in der Supraleitung ein rein quantenphänomen von makroskopischer Größe sah, was eine revolutionäre Idee für diese Zeit war. 1948 zeigte er, dass der magnetische Fluss quantisiert ist, dh nur in endlichen Teilen in den supraleitenden Ring eindringt, immer gleich einer ganzen Anzahl von Elementarquanten des magnetischen Flusses. Experimente bestätigten die Quantisierung des magnetischen Flusses erst 1961.

Der Zweite Weltkrieg hat das Studium der Supraleitung fast vollständig unterbrochen. Etwas wurde schon damals gemacht – zum Beispiel wurde 1941 in Deutschland Supraleitung von Niobnitrid mit einer Rekordtemperatur von 15 K gefunden. Aber ein echter Durchbruch in diesem Bereich ereignete sich in den 1960er Jahren, als Substanzen, die zu Supraleitern wurden, signifikant höhere Temperaturen.Aber lesen Sie dazu, ebenso wie über Hochtemperatur-Supraleiter, eine der folgenden Nummern "PM".


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