Forscher decken Mechanismen von Korngrenzen in Polykristallen auf Stromtransport in Supraleitern entschlüsselt - scinexx | Das Wissensmagazin
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Forscher decken Mechanismen von Korngrenzen in Polykristallen auf

Stromtransport in Supraleitern entschlüsselt

Supraleitender Stromtransport durch eine Korngrenze: Abgebildet sind die Stromlinien eines supraleitenden elektrischen Stromes und das erzeugte Magnetfeld. Die Position der Korngrenze ist durch die horizontale weiße Linie markiert. © Universität Göttingen

Supraleitende Materialien haben die Eigenschaft, elektrischen Strom bei tiefen Temperaturen ohne merklichen Widerstand zu leiten. Dieser Effekt beruht auf einer kollektiven Abstimmung von Milliarden von Elektronen. Während konventionelle Supraleiter dazu eine Kühlung von mehr als -250 Grad Celsius erfordern, weisen Hochtemperatur-Supraleiter diese Fähigkeit schon bei Temperaturen von bis zu -108 Grad Celsius auf. Einem internationalen Physikerteam ist nun ein Durchbruch im Verständnis des Stromtransports in Hochtemperatur-Supraleitern gelungen.

Die Forscher um Christian Jooß vom Institut für Materialphysik der Universität Göttingen haben zusammen mit Experten aus den USA und Japan die Auswirkungen so genannter Korngrenzen untersucht: Diese entstehen im Zusammenhang mit der unterschiedlichen Ausrichtung von Kristallen in supraleitenden Materialien und führen zu einer dramatischen Reduzierung ihrer Stromtragfähigkeit. Die Ursachen dafür waren bislang unbekannt.

Mit der Entschlüsselung der zugrunde liegenden Mechanismen konnten die Wissenschaftler auch Wege zur Überwindung dieser Stromunterdrückung erproben. „Damit stehen jetzt eine ganze Reihe von Methoden zur Verfügung, sehr hohe verlustfreie Stromtragfähigkeiten von Hochtemperatur-Supraleitern zu erreichen“, erläutert Christian Jooß vom Institut für Materialphysik der Universität Göttingen in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature.

Veränderungen in der Kristallstruktur führen zu Verschiebungen der Atome

Bei der Entwicklung von supraleitenden Materialien wie Kabeln kommt es unvermeidlich zur Bildung von Korngrenzen, da die Züchtung kilometerlanger Kristalle mit gleichmäßiger Ausrichtung (Einkristalle) nicht möglich ist. Die Veränderungen in der Kristallstruktur – die Wissenschaftler verwenden dafür den Begriff der Polykristalle – führen zu Verschiebungen der Atome in ihrer idealen Gitterposition. Dies ändert die Struktur und Zusammensetzung des Materials in Abständen von bis zu 1,5 Nanometern an der Korngrenze. Dabei entstehen eine Sauerstoffverarmung und ungünstige elektrisch geladene Zonen auf der Nanometerskala, was zu der drastischen Reduzierung der Stromtragfähigkeit führt.

Dem internationalen Wissenschaftlerteam ist es im vergangenen Jahr gelungen, diese nanoskaligen Raumladungszonen mit modernen Methoden der Elektronenmikroskopie erstmals sichtbar zu machen. Für ihre Untersuchungen zum Phänomen der Korngrenzen verwendeten die Forscher dabei das Material YBa2Cu2O7, das supraleitende Fähigkeiten bei bis zu -181 Grad Celsius aufweist. Zur Überwindung der Stromunterdrückung an den Korngrenzen setzten die Forscher Zusatzstoffe wie Kalzium ein. Sie vermindern die Spannungen in der Gitterstruktur und erhöhen die Sauerstoffkonzentration.

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Viele Einsatzmöglichkeiten für Hochtemperatur-Supraleiter

Hochtemperatur-Supraleiter sind zukunftsweisende Materialien für Hochfeld-Elektromagnete in medizinischen Anwendungen wie in der Magnetischen Tomographie, für verlustarme Stromleitungen über große Distanzen, für supraleitende Motoren und Stromgeneratoren mit hohem Wirkungsgrad. Prototypen von elektrischen Leitern werden bereits in der Energietechnik eingesetzt.

An den Forschungsarbeiten zu den Strömen in Hochtemperatur- Supraleitern waren unter anderem Wissenschaftler des Brookhaven National Laboratory und des Oak Ridge National Laboratory (USA) sowie der Universität Tokio (Japan) beteiligt. Zur Göttinger Arbeitsgruppe von Dr. Jooß gehörte auch Dr. Karsten Guth, der jetzt in der Europäischen Gesellschaft für Leistungshalbleiter mbH (eupec) Entwicklungsarbeiten leitet.

(idw – Universität Göttingen, 03.06.2005 – DLO)

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