Hochtemperatur-Supraleiter
Supraleiter sind Materialien, die Strom ohne Widerstand leiten können, wenn sie unter eine bestimmte Temperatur, die sogenannte kritische Temperatur (Tc), gekühlt werden. Dies bedeutet, dass sie elektrischen Strom ohne Energieverlust tragen können, was sie für eine Vielzahl von Anwendungen in Bereichen wie Energieerzeugung, medizinische Bildgebung und Transportwesen sehr nützlich macht.
Anwendungen der Supraleitung
Die Anwendungen der Supraleitfähigkeit sind vielfältig und reichen von medizinischer Bildgebung (wie MRT-Geräten) über Transport (wie Magnetschwebebahnen) bis hin zu Energieerzeugung und -verteilung (wie Hochfeldmagneten für Fusionsversuche). Die Herausforderung bei der Supraleitung besteht jedoch darin, dass sie niedrige Temperaturen erfordert, was für einige Anwendungen teuer und unpraktisch sein kann. Dennoch forschen Wissenschaftler kontinuierlich an neuen Materialien, die Supraleitung bei höheren Temperaturen zeigen, was in Zukunft zu weiter verbreiteten und praktischeren Anwendungen führen könnte.
Arten von Supraleitern
Supraleiter können in zwei Haupttypen eingeteilt werden:
Type-I-Supraleiter: Diese Supraleiter haben ein kritisches Magnetfeld, unterhalb dessen sie perfekte Leitfähigkeit zeigen, und oberhalb dessen sie ihre supraleitenden Eigenschaften abrupt verlieren. Sie werden auch als „weiche“ Supraleiter bezeichnet. Beispiele für Typ-I-Supraleiter sind Quecksilber, Blei und Zinn.
Type-II-Supraleiter: Diese Supraleiter haben zwei kritische Magnetfelder und zeigen in dem Bereich dazwischen einen gemischten Zustand, in dem nur Teile des Materials supraleitend sind. Sie werden auch als „harte“ Supraleiter bezeichnet. Beispiele für Typ-II-Supraleiter sind Niob-Titan, Niob-Zinn und YBCO (Yttrium-Barium-Kupferoxid). Typ-II-Supraleiter werden aufgrund ihrer Fähigkeit, bei höheren magnetischen Feldern und Temperaturen als Typ-I-Supraleiter zu arbeiten, häufiger in praktischen Anwendungen eingesetzt. Sie können ihre supraleitenden Eigenschaften auch in Gegenwart starker Magnetfelder aufrechterhalten, was für Anwendungen wie MRT-Geräte und Teilchenbeschleuniger essentiell ist.
Neben diesen beiden Haupttypen gibt es auch unkonventionelle Supraleiter, die nicht in die herkömmliche BCS-Theorie (Bardeen-Cooper-Schrieffer) der Supraleitung passen. Dazu gehören Hochtemperatur-Supraleiter und Schwerfermionen-Supraleiter.
Hochtemperatur-Supraleiter
Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) sind eine Art von unkonventionellen Supraleitern, die Supraleitung bei vergleichsweise hohen Temperaturen im Vergleich zu herkömmlichen Supraleitern zeigen. Der erste Hochtemperatur-Supraleiter wurde 1986 von Bednorz und Müller entdeckt, die feststellten, dass eine Verbindung aus Lanthan, Kupfer und Sauerstoff eine kritische Temperatur (Tc) von 35 K (-238 °C) hatte, viel höher als der bisherige Rekord von 23 K (-250 °C) für Nb3Ge. Seitdem wurden viele andere Hochtemperatur-Supraleiter mit kritischen Temperaturen von bis zu 138 K (-135 °C) entdeckt. Der Mechanismus der Supraleitung in Hochtemperatur-Supraleitern ist nicht gut verstanden und bleibt ein aktives Forschungsgebiet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Supraleitern, die durch die BCS-Theorie erklärt werden können, wird angenommen, dass Hochtemperatur-Supraleiter einen komplexeren Mechanismus haben, der starke Elektron-Elektron-Interaktionen und möglicherweise einen Quantenphasenübergang beinhaltet.
Hochtemperatur-Supraleiter haben das Potenzial, viele Bereiche der Technologie zu revolutionieren, einschließlich der Stromübertragung, magnetischen Levitation und Hochfeldmagneten für Fusionsreaktoren und Teilchenbeschleuniger. Ihre weit verbreitete Nutzung ist jedoch durch die Schwierigkeit und die Kosten der Kühlung auf ihre kritische Temperatur begrenzt, die flüssigen Stickstoff oder noch kältere Kühlmittel erfordert.
LaBaCuO-Supraleiter
LaBaCuO (Lanthan-Barium-Kupferoxid) ist eine Art von Hochtemperatur-Supraleiter. Es hat eine geschichtete Kristallstruktur, die aus supraleitenden Kupferoxid-Ebenen und isolierenden Schichten besteht. LaBaCuO war einer der ersten entdeckten Hochtemperatur-Supraleiter und hat eine kritische Temperatur von etwa 30 K (-243 °C), die höher ist als die von herkömmlichen Niedertemperatur-Supraleitern. LaBaCuO ist ein Typ-II-Supraleiter, was bedeutet, dass es starke Magnetfelder unterstützen kann, ohne seine supraleitenden Eigenschaften zu verlieren. Es zeigt auch anisotropes Verhalten, wobei seine elektrischen und magnetischen Eigenschaften von der Richtung des angelegten Feldes abhängen. LaBaCuO wird in verschiedenen Anwendungen verwendet, wie in supraleitenden Magneten, Stromübertragungskabeln und elektronischen Geräten.
YBCO-Supraleiter
