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Mittwoch, 26.07.2017
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„Bremse“ in Supraleitern identifiziert

Simulation zeigt Folge mikroskopischer Defekte und ermöglicht gezielte Optimierung

Die Hauptursache für den reduzierten Stromtransport in Supraleitern hat jetzt ein internationales Forscherteam identifiziert. Wie sie in „Nature Physics" berichten, ist es die elektrische Ladung, die sich an den Grenzflächen zwischen Kristallkörnern sammelt. Sie ist damit die Voraussetzung für eine gezielte Optimierung des Stromtransports in den Kupferoxid-Supraleitern sowie für die Erweiterung der Möglichkeiten ihres praktischen Einsatzes.
Atomare Struktur einer Korngrenze mit einer den Stromtransport reduzierenden „Ladungswolke".

Atomare Struktur einer Korngrenze mit einer den Stromtransport reduzierenden „Ladungswolke".

Obwohl das Phänomen der Supraleitung, dem ein komplizierter Quantenzustand zugrunde liegt, schon seit nahezu einem Jahrhundert bekannt ist, kamen Supraleiter lange Zeit für den Energietransport, sowie für den Bau von Motoren und Generatoren kaum zum Einsatz, da sie nur bei sehr tiefen Temperaturen funktionsfähig sind – Temperaturen, die nur mit enormem Aufwand erreicht werden können. Erst vor 25 Jahren – mit der Entdeckung der supraleitenden Eigenschaften einiger Kupferoxid-Verbindungen, für deren Kühlung flüssige Luft ausreichend ist – gelangte ein praktischer Einsatz der Supraleitung für die Energieversorgung in Reichweite.

Defekte im Material hemmen Supraleitung


Doch das Ganze hat einen Haken: Die in fast allen Materialien vorhandenen mikroskopischen Defekte, die sich durch das Aufeinandertreffen einzelner, gegeneinander verdrehter Materialkörner ausbilden, wirken sich negativ auf den Stromtransport aus. Experimentell ist dieser Umstand bereits umfassend untersucht und es wurden verschiedene Verfahren zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften entwickelt. Aber was genau theoretisch in diesen Supraleitern abläuft, war weitestgehend unbekannt.

Modellierung zeigt Prinzip hinter Supraleitung


Nun ist es einer internationalen Gruppe von Physikern an der Universität Augsburg, der Universität von Florida in Gainesville und dem Niels-Bohr Institut in Kopenhagen gelungen, diese „Black Box“ zu enträtseln. Sie entwickelten ein theoretisches Modell der mikroskopischen Defekte in diesen Materialien und simulierten auf dieser Basis den supraleitenden Stromtransport. Die Simulation spiegelte nicht nur die tatsächlichen Stromflüsse wieder, sie gab auch weiteren Aufschluss über die Vorgänge im Inneren:


Die Forscher konnten damit die sich an den Grenzflächen zwischen zwei Kristallkörnern sammelnde elektrische Ladung als Hauptursache für den reduzierten Stromtransport identifizieren. Dieses theoretische Verständnis erlaubt es nun, nach gezielten Verfahren zur Verbesserung des Stromtransports in den Kupferoxid-Supraleitern zu suchen und damit letztlich die Möglichkeiten ihres praktischen Einsatzes zu erweitern.
(Universität Augsburg, 30.06.2010 - NPO)
 
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