| Quantenturbo für verlustfreien Strom |
| Quanteneffekte verstärken die Supraleitung von Nanopartikeln bei bestimmten Größen drastisch |
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Wann ein Metallteilchen den elektrischen Widerstand verliert und supraleitend wird, ist auch eine Frage seiner Größe. Der Theorie nach gibt es „magische“ Größen für Nanoteilchen, bei denen die Supraleitung plötzlich um bis zu 60 Prozent ansteigt. Wo genau diese Größen liegen, haben Forscher jetzt erstmals im Experiment nachgewiesen. Ihre in „Nature Materials“ veröffentlichten Ergebnisse liefern neue Ansatzpunkte, um der verlustfreien Stromleitung auch bei Raumtemperatur näherzukommen.
Mit Materialien, die Strom auch bei sommerlichen Temperaturen noch ohne Widerstand transportieren, ließe sich eine Menge Energie sparen. Supraleiter können das - im Prinzip. Doch die derzeit besten Supraleiter geben ihren Widerstand erst unterhalb von rund minus 170 Grad Celsius auf. Obwohl die Supraleitung bei Raumtemperatur noch immer in weiter Ferne liegt, sind ihr die Forscher des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart jetzt ein kleines Stück näher gekommen: Sie haben die kritische Temperatur, unterhalb derer ein Material zum Supraleiter wird, im Labor dramatisch angehoben, indem sie Nanopartikel bestimmter Größe erzeugten.
 | | Den Finger auf den Nanopartikel gelegt
© I. Briuhega/ MPI für Festkörperforschung  |
Energiezustand als „Schaleneffekt“ quantisiert
Diese kritische Temperatur steigt sprunghaft - die Physiker sprechen von einer Verstärkung der Supraleitung -, weil die Energiezustände in Nanoteilchen quantisiert sind. Die wenigen Atome in einem Nanoteilchen können nur eine kleine Zahl von energetischen Zuständen besetzen. In einem größeren Stück des Materials bilden sie dagegen ein breites Band von sehr vielen dicht beieinander liegenden Zuständen. Die Beschränkung der Quantenzustände ändert die Eigenschaften nanoskopischer Systeme daher abrupt und oft unvorhergesehen. "In niederdimensionalen Supraleitern ist eine der überraschendsten Konsequenzen, dass Schaleneffekte auftreten, die die Supraleitung verstärken", erklärt Klaus Kern, Direktor am Stuttgarter Max-Planck-Institut.
Theoretisch haben Physiker solche Schaleneffekte bereits seit längerem vorhergesagt. Demnach besetzen die Elektronen von metallische Nanopartikeln bestimmte Schalen - ähnlich den Elektronenschalen um Atomkerne. Bestimmte Elektronenzahlen erleichtern den Zusammenschluss der Elektronen zu Cooper-Paaren, die sich ohne Widerstand durch das Material bewegen können. Wann sich in den Schalen diese ‚magische’ Anzahl von Elektronen versammelt, hängt unter anderem von der Größe und Form der Partikel ab.
Halbkugel-„Zucht“ im Vakuum
„Die Experimente, um die vorhergesagten Quanteneffekte zu bestätigen, sind extrem anspruchsvoll und erreichen die Grenze des technisch Möglichen", sagt Sangita Bose, die zusammen mit Ivan Brihuega zum ersten Mal untersucht hat, wie die Größe den supraleitenden Zustand individueller Nanopartikel beeinflusst. Die Forscher züchteten dafür in einem extrem guten Vakuum zunächst exakte Halbkugeln aus Zinn und Blei, deren Höhen sie gezielt zwischen einem und 50 Nanometern einstellten.
Mit einem speziellen Rastertunnelmikroskop, das Forscher des Max-Planck-Instituts entwickelt haben, untersuchten die Physiker anschließend die elektronischen Eigenschaften der Nanoteilchen bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von rund minus 273 Grad Celsius. Mit sehr hoher Auflösung bestimmten sie für jedes individuelle Teilchen die supraleitende Energielücke. Aus den Energielücken ergeben sich dann die kritischen Temperaturen, bei denen sie Supraleitung auftritt.
Nachweis der Sprünge erstmals im Experiment
Die Experimente zeigten, dass die supraleitende Energielücke der Zinn-Nanopartikel sehr empfindlich auf die Partikelgröße reagiert. Sie nimmt allerdings weder kontinuierlich ab noch steigt sie stetig an, sondern springt vielmehr stark hin und her. "Das sieht zunächst aus wie Rauschen, entspricht aber den Vorhersagen der Theorie", so Kern. Die Größe braucht sich nur um Bruchteile eines Nanometers zu ändern, und schon springt die kritische Temperatur in die Höhe, bevor sie im nächst kleineren Partikel schon wieder drastisch abfällt.
Für Blei-Nanopartikel fällt der Effekt weit schwächer aus. In beiden Materialien tritt allerdings überhaupt keine Supraleitung mehr auf, wenn die Partikel kleiner als vier Nanometer sind. "Das wurde zwar bereits vor 50 Jahren theoretisch vorhergesagt, wir haben das aber jetzt zum ersten Mal an einzelnen Partikeln nachgewiesen", erklärt Festkörperphysiker Ivan Brihuega.
Kohärenzlänge unterschiedlich
Um die experimentellen Ergebnisse theoretisch zu unterfüttern, haben Antonio M. García-García, Wissenschaftler am Instituto Superior Technico in Lissabon, und Juan D. Urbina von Universität Regensburg, Korrekturen für die endliche Ausdehnung und Form der Partikel in die Standard-BCS-Theorie für Supraleiter eingeführt. Ihre Berechnungen geben die experimentellen Ergebnisse sehr gut wieder. Sie spiegeln auch wider, dass die Supraleitung mit der Größe der Zinn-Nanopartikel stark variiert. Im Blei tritt der Effekt allerdings kaum auf.
„Das unterschiedliche Verhalten der beiden Metalle lässt sich mit der unterschiedlichen Kohärenzlänge erklären, die die räumliche Ausdehnung der Elektronenpaare für die Supraleitung beschreibt", erklärt Sangita Bose vom MPI für Festkörperforschung. Die Kohärenzlänge im Zinn ist viel größer als im Blei, was Zinn weitaus empfindlicher gegenüber Quanteneffekten macht.
Da die quantenmechanischen Schaleneffekte in allen Materialien auftreten, lassen sie sich nutzen, um die Supraleitung in vielen Materialien zu verstärken. "Damit eröffnet das ‚Quanten-Engineering’ durch die gezielte Nanostrukturierung eine völlig neue Perspektive für die Supraleitung und bietet auch vielversprechende technologische Aussichten", so Kern.
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| (Max-Planck-Gesellschaft, 08.06.2010 - NPO) |
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