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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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"Cooper-Paare": Supraleitend und isolierend |
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| | | Manche Metalle werden bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu perfekten Leitern. "Cooper-Paare" - paarweise Zusammenschlüsse von Elektronen - sind für diese Supraleitung verantwortlich. US-amerikanische Forscher haben nun herausgefunden, dass genau dieselben Elektronenpaare auch den gegenteiligen Effekt auslösen können. |
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Sie sind unter Umständen auch perfekte Isolatoren. Das haben versuche von Physikern Brown University in Providence, Rhode Island, gezeigt.
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Der Artikel "Superconducting Pair Correlations in an Amorphous Insulating Nanohoneycomb Film" von M.D.Stewart et al. ist in der aktuellen Ausgabe von "Science" (Bd. 318, 23.November 2007, DOI: 10.1126/science.1149587) erschienen. |
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 Abstract der Studie |
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Supraleitung durch Elektronenpaare |
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Bereits vor fast 100 Jahren entdeckte der holländische Physiker Kamerlingh Onnes, dass bestimmte Metalle in der Nähe des absoluten Nullpunkts ganz besondere Leitfähigkeit besitzen. Der Strom fließt dann ohne messbaren Widerstand.
Die Theorie zur Supraleitung lieferten die theoretischen Physiker John Bardeen, Leon Cooper und Robert Schrieffer in der 1950er Jahren, die dafür auch den Nobelpreis erhielten. Sie konnten zeigen, dass supraleitende Elektronen Paare bilden, deren Bewegungen mit anderen Paaren in Verbindung stehen.
Alle Cooper-Paare sind Teil desselben quantenmechanischen Zustands. Das heißt, wird etwa eine Spannung angelegt, bewegen sich alle Cooper-Paare in gleicher Weise. So kann der Strom ohne Widerstand fließen.
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Cooper-Paare geben Rätsel auf |
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Jetzt haben Physiker der Brown University, wo Cooper immer noch Senior Professor ist, eine überraschende Ergänzung zur Theorie geliefert. Das Team rund um M.D. Stewart hat nämlich gezeigt, dass Cooper-Paare nicht nur Supraleiter bilden können, sondern unter bestimmten Bedingungen auch deren Gegenteil - elektrische Isolatoren.
Das Ergebnis ist laut James Valles, Mitarbeiter der Studie, reichlich kontraintuitiv. So starteten die Physiker ihre Experimente zunächst eher skeptisch, auch wenn manche Publikationen bereits auf diese Möglichkeit hingewiesen hatten, dass Cooper-Paare ebenso in elektrischen Isolatoren vorkommen könnten.
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Material mit wechselnden Eigenschaften |
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Für ihre Experimente verwendeten die Wissenschaftler das seltene Metall Bismut, von dem man weiß, dass es bei entsprechender Stärke ein ausgezeichneter Supraleiter ist. Ist es jedoch extrem dünn, stellt es einen ebenso guten Isolator dar.
Auf eine Unterlage mit wabenförmigen Löchern, die einen Durchmesser von weniger als 50 Nanometer besitzen, wurde eine ultradünne, nur vier Atome dicke Schicht von Bismut aufgebracht und gekühlt.
Dem Team rund um Stewart gelang es, das Material entweder in einen Isolator oder einen Supraleiter zu verwandeln. Auch wenn sich das Ganze wie ein Isolator verhielt, zeigte sich dabei eine Änderung des elektrischen Stroms, was auf die Anwesenheit von Cooper-Paaren deutet.
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Separierung ermöglicht Isolierung |
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Die Erklärung der Forscher für das überraschende Ergebnis: Die Cooper-Paare verhalten sich in beiden Fällen unterschiedlich. Bei Supraleitern verbinden sie sich mit anderen Paaren, die gemeinsame Bewegung bildet einen kontinuierlichen Stromfluss. Beim Isolator hingegen drehen sich die Paare vermutlich alleine.
Laut Stewart sind die Löcher im Material der entscheidende Faktor. So bildeten sich zwar Cooper-Paare bilden, sie blieben aber separiert, weswegen kein Strom fließen konnte.
Die Ergebnisse könnten nicht nur dazu beitragen, die Grenzen der Supraleitung zu verstehen, sondern vielleicht auch zur Produktion perfekt isolierter Leitungen führen, die Strom ohne Überhitzung leiten.
[science.ORF.at, 23.11.07]
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01.01.2010 |
