Es geht heiß her in Supraleitern
Im Jahr 1911 kühlte die niederländische Physikerin Heike Kamerlingh Onnes Quecksilber auf die Temperatur von flüssigem Helium runter, nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt (rund -270 Grad Celsius). Dabei wurde etwas Erstaunliches beobachtet: der Stromwiderstand des Materials verschwand erstaunlicherweise bei 4,2 Kelvin. Seitdem wurde eine Vielzahl von Materialien entdeckt, zum Beispiel Cuprate, Magnesiumdiborid oder Eisenpnictide, die bereits bei höheren Temperaturen supraleitend werden. Dennoch ist die höchste kritische Temperatur (Tc) für einen Supraleiter mit 138 Kelvin (rund -135 Grad Celsius) immer noch weit von Raumtemperatur (20 Grad Celsius) entfernt. Mit dem Projekt "Search for novel mechanisms to increase the critical temperature of a superconductor" (NANOHIGHTC) wollen EU-finanzierte Wissenschaftler besser verstehen, wie sich neue, verstärkte nanostrukturierte Supraleiter kontrollierter entwickeln lassen. Das Projekt übertraf seine ursprünglichen Ziele und führte zu 22 Publikationen in angesehenen referierten Fachzeitschriften und zahlreichen internationalen Kooperationen. Die Untersuchung der finiten Größeneffekte in verschiedenen Arten von Supraleitern führte zu einem quantitativen Formalismus, der sie in einem Bereich beschreibt, in dem die Mittelfeldtheorie anwendbar ist. Im Wesentlichen reduziert die Mittelfeldtheorie ein Vielkörperproblem zu einem Ein-Körper-Problem durch Mittelung der Partikel-Partikel-Wechselwirkungen. Die Gruppe zeigte, dass für einige Materialien eine Tc-Steigerung von bis zu 30% möglich ist. Weitere Forschungen halfen bei der Entwicklung eines Rahmens für die Beschreibung von Abweichungen vom mittleren Feld. Zu den herausragendsten Ergebnissen gehört die Identifizierung der minimalen Korngröße für die Supraleitfähigkeit als eine Funktion der Kopplungsstärke in stark gekoppelten nanoskaligen Supraleitern. Andere Forschungsaktivitäten untersuchten Nichtgleichgewichtsdynamik und Thermalisierung, durch die die Teilchen thermisches Gleichgewicht oder gleichmäßige Temperatur erreichen. Ein wechselwirkendes Quantensystem sollte nach einer Nicht-Gleichgewichtsstörung (quantum quench) schließlich thermisches Gleichgewicht erreichen. Allerdings kann dies nicht immer beobachtet werden. Das Team identifizierte ein Parameterfenster, in dem das System nach einem Quench nicht thermalisiert, und beschrieb auch hier einen neuen Thermalisierungsweg. NANOHIGHTC entwickelte erfolgreich neue Wege zur Verstärkung von Supraleitfähigkeit und zur Erhöhung der kritischen Temperatur. Trotz des enormen Interesses an supraleitenden Materialien verhindert ein Mangel an detaillierten theoretischen Kenntnissen der Mechanismen eine stärkere Entwicklung und Industrialisierung. Die Wissenschaftler haben damit begonnen, diesen Mangel zu beseitigen und damit den Weg zu neuen Materialien und Anwendungen in der nahen Zukunft zu ebnen.
Schlüsselbegriffe
Supraleiter, kritische Temperatur, Molekularfeldtheorie, Thermalisierung
