Wie funktioniert ein Supraleiter?
Um zu verstehen, wie ein Supraleiter funktioniert, kann es hilfreich sein, zunächst zu untersuchen, wie ein regulärer Leiter funktioniert. Bestimmte Materialien wie Wasser und Metall lassen Elektronen ziemlich leicht durch sie fließen, wie Wasser durch einen Gartenschlauch. Andere Materialien wie Holz und Kunststoff lassen keine Elektronen durch und gelten daher als nicht leitend. Der Versuch, Strom durch sie zu leiten, wäre wie der Versuch, Wasser durch einen Ziegelstein zu leiten.
Selbst bei den Materialien, die als leitend gelten, kann es große Unterschiede geben, wie viel Strom tatsächlich durchgelassen werden kann. In elektrischer Hinsicht nennt man dies Widerstand. Fast alle normalen Stromleiter haben einen gewissen Widerstand, weil sie eigene Atome haben, die die Elektronen blockieren oder absorbieren, wenn sie durch den Draht, das Wasser oder ein anderes Material laufen. Ein kleiner Widerstand kann nützlich sein, um den elektrischen Fluss unter Kontrolle zu halten, kann aber auch ineffizient und verschwenderisch sein.
Ein Supraleiter nimmt die Idee des Widerstands auf und dreht sie auf den Kopf. Ein Supraleiter besteht in der Regel aus Kunststoffen oder Metallen wie Blei oder Niobtitan, die bereits eine geringe Atomzahl aufweisen. Wenn diese Materialien auf nahezu Null gefroren sind, werden die Atome, die sie haben, fast zum Stillstand gebracht. Ohne all diese atomare Aktivität kann praktisch ohne Widerstand Elektrizität durch das Material fließen. In der Praxis würde ein mit einem Supraleiter ausgestatteter Computerprozessor oder ein elektrisches Gleis sehr wenig Strom verbrauchen, um seine Funktionen auszuführen.
Das offensichtlichste Problem bei einem Supraleiter ist die Temperatur. Es gibt nur wenige praktische Möglichkeiten, große Vorräte an supraleitendem Material an den erforderlichen Übergangspunkt zu unterkühlen. Sobald sich ein Supraleiter erwärmt, wird die ursprüngliche Atomenergie wiederhergestellt und das Material erzeugt wieder Widerstand. Der Trick zur Herstellung eines praktischen Supraleiters besteht darin, ein Material zu finden, das bei Raumtemperatur supraleitend wird. Bisher haben Forscher kein Metall oder Verbundmaterial entdeckt, das bei hohen Temperaturen seinen gesamten elektrischen Widerstand verliert.
Stellen Sie sich zur Veranschaulichung dieses Problems einen Standardkupferdraht als Wasserfluss vor. Eine Gruppe von Elektronen sitzt in einem Boot und versucht, flussaufwärts an ihr Ziel zu gelangen. Die Kraft des flussabwärts fließenden Wassers erzeugt Widerstand, wodurch das Boot noch härter arbeiten muss, um durch den gesamten Fluss zu gelangen. Bis das Boot sein Ziel erreicht, sind viele der Elektronenpassagiere zu schwach, um fortzufahren. Das passiert mit einem normalen Dirigenten - der natürliche Widerstand verursacht einen Leistungsverlust.
Stellen Sie sich nun vor, der Fluss wäre komplett gefroren und die Elektronen stünden in einem Schlitten. Da kein Wasser stromabwärts fließen würde, gäbe es keinen Widerstand. Der Schlitten würde einfach über das Eis fahren und fast alle Elektronenpassagiere sicher stromaufwärts absetzen. Die Elektronen änderten sich nicht, aber der Fluss wurde durch die Temperatur verändert, um keinen Widerstand zu leisten. Das ultimative Ziel der Supraleiterforschung ist es, einen Weg zu finden, um den Fluss bei normaler Temperatur einzufrieren.