Superconductivität – Kritische Temperatur
Was ist Superconductivität?
Superconductivität unterscheidet sich grundlegend von normaler Leitfähigkeit. Während beste Leiter wie Silber und Kupfer niemals superleitend werden können, verwandeln sich bestimmte Keramik-Superleiter bei niedrigen Temperaturen von Isolatoren in Superleiter. Die Verbindung zwischen Superconductivität und niedrigen Temperaturen ist dabei essentiell. Damit ein Material superleitend wird, muss es unter eine kritische Temperatur abgekühlt werden, die als superleitender Übergang oder kritische Temperatur (Tc) bekannt ist. Diese Temperatur variiert je nach Material und kann von wenigen Kelvin (K) bis zu mehreren hundert K reichen.
Wie funktioniert Superconductivität?
Bei niedrigen Temperaturen verringern sich die Atomvibrationen in einem Material, was den Elektronenfluss erleichtert. Dabei entstehen Cooper-Paare: Zwei Elektronen, die durch Gitterschwingungen zusammengehalten werden. In normalen Metallen stoßen Elektronen gegen Atome im Gitter und erfahren Widerstand. In Superleitern bewegen sich die Cooper-Paare jedoch widerstandslos durch das Gitter.
Arten von Superleitern
Superleiter lassen sich in zwei Haupttypen einteilen:
- Typ-I-Superleiter: Diese haben ein einziges kritisches Magnetfeld, unterhalb dessen sie perfekte Leitfähigkeit zeigen, darüber verlieren sie ihre superleitenden Eigenschaften abrupt. Beispiele sind Quecksilber, Blei und Zinn.
- Typ-II-Superleiter: Diese haben zwei kritische Magnetfelder. Zwischen diesen zeigen sie einen gemischten Zustand, in dem nur Teile des Materials superleitend sind. Beispiele hierfür sind Niob-Titan, Niob-Zinn und YBCO (Yttrium-Barium-Kupferoxid).
Typ-II-Superleiter werden aufgrund ihrer Fähigkeit, höhere Magnetfelder und Temperaturen auszuhalten, häufiger in der Praxis eingesetzt. Sie sind essentiell für Anwendungen wie MRI-Geräte und Teilchenbeschleuniger.
Kritische Temperatur
Die kritische Temperatur (Tc) ist ein Schlüsselparameter für Superleiter, da sie die Temperatur angibt, unterhalb derer das Material keinen elektrischen Widerstand zeigt und perfekte Diamagnetismus aufweist. Bei konventionellen Superleitern wie Nb3Sn und NbTi liegt die Tc relativ niedrig, zwischen etwa 9 K (-264 °C) und 18 K (-255 °C). Hochtemperatur-Superleiter wie Cuprate und Eisen-basierte Superleiter haben jedoch deutlich höhere kritische Temperaturen, von etwa 30 K (-243 °C) bis zu 138 K (-135 °C) für das Rekordmaterial HgBa2Ca2Cu3O8+δ.
Superleitende Materialien
Hier ist eine Tabelle von 10 Superleitern mit ihren Schlüsseleigenschaften:
| Superleiter | Chemische Formel | Typ | Kritische Temperatur (K) | Kritisches Magnetfeld (T) |
|---|---|---|---|---|
| Zinn (Sn) | Sn | Typ I | 3.7 | 0.005 |
| Blei (Pb) | Pb | Typ I | 7.19 | 0.015 |
| Quecksilber (Hg) | Hg | Typ I | 4.15 | 0.091 |
| Niob-Titan (NbTi) | NbTi | Typ II | 10.4 | 12.5 |
| Niob-Zinn (Nb3Sn) | Nb3Sn | Typ II | 18.1 | 25 |
| Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) | YBa2Cu3O7-x | Typ II | 92 | 0.2 |
Zusammenfassung
Superconductivität ist ein faszinierendes Phänomen, das in verschiedenen Materialien bei unterschiedlichen kritischen Temperaturen auftritt. Seine Anwendungen reichen von der Medizintechnik bis zur Teilchenphysik und eröffnen ständig neue Möglichkeiten in Wissenschaft und Technik.
