Die Supraleitung durch Quantenfluktuationen

Zukunftsperspektiven in der Wissenschaft

Die Supraleitung durch Quantenfluktuationen

Supraleitung ist ein Phänomen, bei dem Strom ohne Widerstand durch ein Material fließen kann. Es wurde erstmals 1911 vom niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes entdeckt, der eine Quecksilberprobe auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt (-273,15°C) abkühlte und bemerkte, dass der elektrische Widerstand auf Null fiel. Seither haben Forscher auf der ganzen Welt versucht, das Phänomen der Supraleitung zu verstehen und zu nutzen, um praktische Anwendungen zu entwickeln.

Bisher waren die Mechanismen, die Supraleitung ermöglichen, hauptsächlich auf die Eigenschaften des Elektronenpaars zurückzuführen, die als Cooper-Paar bekannt sind. Die Idee dahinter ist, dass Elektronen eine Wechselwirkung mit Gitterschwingungen im Material haben und dadurch ein Paar bilden, das sich als eine Art 'Supermolekül' verhält. Dadurch kann Strom ohne Widerstand durch das Material fließen.

In den letzten Jahren haben jedoch Forscher in der Materialwissenschaft und der theoretischen Physik begonnen, sich auf die Rolle von Quantenfluktuationen bei der Supraleitung zu konzentrieren. Quantenfluktuationen sind winzige, spontane Schwankungen in der Energie oder den Eigenschaften von Teilchen auf quantenmechanischer Ebene. Sie werden oft als eine Art 'unschärferelation' bezeichnet, da sie aufgrund der Unbestimmtheit auf quantenmechanischer Ebene auftreten.

Eine Möglichkeit, sich die Rolle von Quantenfluktuationen bei Supraleitung vorzustellen, ist, dass sie eine Art 'Rauschen' erzeugen, das die Ausrichtung der Cooper-Paare beeinflusst. Dies führt dazu, dass die Paare sich nicht mehr perfekt anordnen können und mehr Bewegungsfreiheit haben. Dadurch kann elektrischer Strom ohne Widerstand durch das Material fließen.

Ein Beispiel für ein Material, das auf diese Weise supraleitend wird, ist das Hochtemperatur-Supraleiter Kuprat. Kuprat wird aufgrund seiner Eigenschaften oft als der 'heilige Gral' der Supraleitung bezeichnet. Es supraleitet jedoch nur bei relativ hohen Temperaturen (-135°C), was im Vergleich zu anderen Supraleitern relativ hoch ist.

Forscher haben kürzlich herausgefunden, dass Quantenfluktuationen bei Kuprat eine wichtige Rolle spielen. Sie haben beobachtet, dass bei sehr tiefen Temperaturen Quantenfluktuationen in der Nähe von Defekten in der Kristallstruktur des Materials auftreten. Diese Defekte, auch als 'Störzentren' bezeichnet, stören die Ausrichtung der Cooper-Paare und ermöglichen es ihnen, sich leichter zu bewegen und zu supraleiten.

Diese Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen auf das Verständnis der Supraleitung und könnten zu neuen Anwendungen in der Elektronik und Energietechnik führen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Entwicklung von Quantencomputern, die auf dem Phänomen der Supraleitung beruhen. Diese Computer würden aufgrund ihrer extrem hohen Geschwindigkeit und Energieeffizienz eine Revolution in der Computerindustrie auslösen.

Es bleibt jedoch noch viel Forschungsarbeit zu tun, um das Verständnis der Supraleitung durch Quantenfluktuationen zu vertiefen und die praktischen Anwendungen dieser Entdeckungen zu entwickeln. Es ist jedoch klar, dass Quantenfluktuationen in der Physik eine immer wichtigere Rolle spielen werden und uns zu neuen Erkenntnissen über die Natur des Universums und mögliche Anwendungen in der Technologie führen werden.