Eine Therie zur Supraleitung besagt, dass sich die Elektronen zu einer Art Team zusammentun, um einen Widerstandslosen Weg durchs Atomgitter zu finden. Abb.: hw
Dresden, 24. August 2012: Knapp 200 internationale Physiker wollen sich ab Sonntag in der Dresdner Dreikönigskirche treffen, um neue Forschungsergebnisse in der Welt der Quanten und Elementarteilchen zu diskutieren. Im Fokus steht ein ungewöhnliches Zusammenspiel von Elektronen, das möglicherweise einmal den Schlüssel zu Maschinen von einzigartiger Energieeffizienz liefern könnte und zu neuartigen Werkstoffen, die zum Beispiel ihre Form selbstständig ändern.
Planck-Institut CPFS baut in Dresden aus
Die Forscher kommen auf Einladung des Dresdner „Max-Planck-Instituts für Chemische fester Stoffe“ (MPI-CPFS), das zu den internationalen Vorreitern auf diesem Spezialgebiet der Physik zählt – und das demnächst ausgebaut werden soll. Das 230 Köpfe starke Institut will weitere Forscher akquirieren, aber auch neue Experimentieranlagen wie eine molekulare Epitaxie-Abscheidungsanlage (Kostenpunkt: rund 850 000 Euro) und ein stärkeres Elektronenmikroskop anschaffen und Neubauten an der Nöthnitzer Straße angehen. Baustart ist voraussichtlich im Herbst.
Wird ausgebaut: Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden.: Abb.: Google Street View
Ein Schwerpunkt des Planck-Instituts sind die physikalischen Grundlagen für Supraleitung – und an der rätseln Forscher rund um den Erdball bereits seit Jahrzehnten. „Wenn da mal praktisch was rauskommt, dann sind wir alle Energie-Probleme auf einen Schlag los“, betont Dr. Steffen Wirth vom MPI-CPFS. Denn Supraleitung bedeutet nichts anderes, als dass bestimmte Materialien plötzlich jeden Widerstand gegen Strom aufgeben, sie also verlustfreie Energieleiter werden.
Leider gibt es da ein ernstes Problem: Die ersten Supraleiter wie Quecksilber, die vor 100 Jahren entdeckt wurden, leiten Strom nur widerstandsfrei, wenn sie bis auf wenige Grad über dem absoluten Temperatur-Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius = 0 Kelvin) tiefgekühlt werden. Durch die Entdeckung neuer Supraleitstoffe konnte diese Sprungtemperatur zwar inzwischen auf etwa minus 150 Grad hochgetrieben werden – von Supraleitern bei Zimmertemperatur sind wir aber immer noch ein gutes Stück entfernt.
Supraleit-Theorie: Elektronen verraten einander den Weg durchs Gitter
Dr. Steffen Wirth. Abb.: MPI-CPFS
Das liegt auch daran, dass die Physikergemeinde das Prinzip hinter dieser sogenannten „Hochtemperatur-Supraleitung“ noch nicht voll durchschaut hat. Stark vereinfacht gesagt, vermuten die Forscher, dass sich die Elektronen in diesen Materialien wie Fußballspieler zu Teams zusammenschließen, so ein Vergleich von Dr. Steffen Wirth vom MPI-CPFS. Und die rufen sich untereinander gewissermaßen Kommandos zu wie: „Hier ist Elektron Nummer 1. Ich habe einen atomfreien Tunnel gefunden, wo wir auf keinerlei Widerstand stoßen. Alle mir nach!“
Dies ist freilich nur eine Analogie. Die wirklichen Abläufe sind noch zu klären und haben möglicherweise mit dem „Spin“, dem magnetischen Moment der Elektronen zu tun, die das Atomgitter zum Schwingen bringen. Eben solche Fragen wollen die Teilnehmer der Tagung „Quantum Criticality and Novel Phases“ (QCNP) vom 26. bis 29. August in Dresden diskutieren.
Forscher hoffen auch auf Morph-Werkstoffe
Neben dem Paradebeispiel Supraleitung könnte ein bessere Verständnis dieser Quantenübergänge und Elektronen-Kooperationen letztlich auch zu Materialien mit ganz anderen überraschenden Eigenschaften
führen, glaubt Wirth. Ein Beispiel dafür sind morphische (formveränderlicher) Werkstoffe, wie man sie sonst – sehr weit gesponnen – nur in Sci-Fi-Filmen wie „Terminator II“ sah (man denke an den bösen Terminator, der immer neue Formen annahm).
„Supratrans II“ auf der Pilotstrecke. Abb.: evico
Und von praktischen Anwendungen ist all dies auch gar nicht mehr so weit entfernt, wie man denken mag: Der Prozessorriese Intel arbeitet beispielsweise an morphischen Materialien für veränderliche Mikroantennen in Kommunikationschips. In Japan werden bereits erste Trassen mit supraleitenden Stromkabeln gelegt – die allerdings noch mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden müssen.
Und gerade auch in Dresden beschäftigen sich mehrere Institute und Firmen mit Supraleitung, darunter die Physik-Institute der Max-Planck-Gesellschaft, das Forschungszentrum in Rossendorf, das Leibniz-Institut IFW – das beispielsweise Prototypen einer Supraleit-Bahn („Supratrans“-Projekt) gebaut hat oder die Firma „Evico“, die sich auf Supraleitkabel spezialisiert hat. Heiko Weckbrodt
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