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Plötzlicher Widerstand

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Apparatur im Institut für Halbleiterphysik in Nowosibirsk, in dem ein Teil der Experimente stattfand. Bild: Pavel Gatilov
Der supraleitende Stoff Titannitrid verwandelt sich wenige tausendstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt ins Gegenteil: einen Supraisolator, ein Material mit unendlich hohem elektrischen Widerstand, in dem sich Elektronen überhaupt nicht fortbewegen können. Das hat ein internationales Forscherteam unter deutscher Beteiligung entdeckt und gleichzeitig auch eine theoretische Erklärung für das erstaunliche Phänomen gefunden.

Die Forscher untersuchten milliardstel Meter dicke Filme aus dem Material Titannitrid, das unter bestimmten Bedingungen supraleitend ist, also dem elektrischen Strom keinen messbaren Widerstand entgegensetzt. Sie beobachteten, dass das Material, das aus sehr kleinen, 40 Nanometer (milliardstel Meter) großen, supraleitenden Körnchen bestand, bei Temperaturen um 70 tausendstel Grad über dem absoluten Temperaturnullpunkt einen äußerst hohen Widerstand annimmt. Das war allerdings nicht weiter ungewöhnlich. Als sie jedoch die Temperatur auf 20 tausendstel Grad senkten, ging der Film in einen neuartigen Zustand über: Der Widerstand wurde so hoch, dass kein Strom mehr floss. Aus dem gewöhnlichen Isolator war ein Supraisolator geworden.

Die Forscher um Valerii Vinokur vom Argonne National Laboratory stellten fest, dass der Supraisolator das Gegenteil eines Supraleiters ist. Beide Übergänge werden von der Temperatur und dem Magnetfeld kontrolliert. „Nur ist die supraleitende Phase durch einen Nullwiderstand gekennzeichnet, während die Supraisolatorphase Nullleitfähigkeit zeigt“, erklärt Mikhail Fistul von der Universität Bochum, der an der Studie beteiligt war. Der supraleitende Zustand kann durch einen Gleichstrom, der Supraisolator-Zustand durch eine Gleichspannung zerstört werden.

Die plötzliche Veränderung von physikalischen Eigenschaften nennen Physiker Phasenübergang. Ein Beispiel ist das Erstarren von Wasser zu Eis bei null Grad Celsius. „Phasenübergänge gehören zu den erstaunlichsten in der Natur beobachteten Phänomenen“, sagt Fistul, „viele Physiker träumen davon, einen neuartigen Typ von Phasenübergang vorherzusagen und zu beobachten.“ Fistul und seinen Kollegen ist das überraschend gelungen: Bislang hatten Theoretiker angenommen, dass es Supraisolatoren nur am absoluten Temperaturnullpunkt geben kann.

Der Übergang vom Isolator zum Supraisolator wird durch quantenmechanische Effekte gesteuert. Die Ladungsträger, sogenannte Cooper-Paare aus zwei Elektronen, können nicht direkt von einem supraleitenden Körnchen zum nächsten fließen. Sie müssen sogenannte Josephson-Verbindungen überwinden, was nur durch den quantenmechanischen Tunneleffekt möglich ist. „Jeder dieser Josephsonkontakte wird als ein winziges Pendel angesehen“, erklärt Mickhail Fistul. Sind die Pendel synchronisiert, fließt kein Gleichstrom mehr, das Material wird zum Supra-Isolator. Bei niedrigen Temperaturen sei es äußerst unwahrscheinlich, dass die Cooper-Elektronen die Barriere überwinden. Durch Anlegen eines Magnetfeldes oder einer starken Spannung sei es aber möglich, die Supraisolation wieder zu zerstören.

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Valerii Vinokur (Argonne National Laboratory, Illionois, USA) et al.: Nature Bd. 452, S. 613, S. 543 Ute Kehse
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