Physik-Nobelpreis für Arbeit zu Supraleitung und Suprafluidität

Der Physik-Nobelpreis 2003 geht an Alexej Abrikosow, Vitalij Ginzburg und Anthony Leggett für ihre bahnbrechenden Arbeiten zur Supraleitung und zur Suprafluidität. Das gab die Schwedische Akademie der Wissenschaften heute in Stockholm bekannt.

Bereits 1911 hatte der holländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes zu seiner eigenen Überraschung festgestellt, dass Quecksilber schlagartig seinen elektrischen Widerstand verliert, wenn es unter -269 °C gekühlt wird. Zunächst glaubte der Wissenschaftler an einen Messfehler, weil der Widerstand nach der seinerzeit gängigen Theorie entweder kontinuierlich bis zum absoluten Nullpunkt absinken oder sogar in der Nähe von Null Kelvin wieder ansteigen müsste. 1914 demonstrierte Onnes zum ersten Mal, dass sich mit Hilfe eines Magnetfeldes in einer supraleitenden Bleispule ein ohne äußere Stromquelle dauerhaft fließender Strom induzieren lässt.

Die Hoffnung, mit solchen Kabeln verlustfrei große Ströme transportieren zu können, erwies sich jedoch als trügerisch. Bringt man Supraleiter in magnetische Felder, zeigen sie recht unterschiedliche Effekte: Äußere Magnetfelder dringen nur bis auf eine dünne Schicht an der Oberfläche in so genannte Typ-I-Supraleiter ein. Oberhalb einer kritischen Magnetfeldstärke bricht die Supraleitung dann völlig zusammen. So genannte Typ-II-Supraleiter verhalten sich unterhalb einer kritischen magnetischen Feldstärke wie ein Typ-I-Supraleiter. Oberhalb dieser Feldstärke lassen sie jedoch ein äußeres Magnetfeld tief in sich eindringen, ohne dass die Supraleitung zusammenbricht. Das äußere Magnetfeld durchzieht den Supraleiter als ein regelmäßiges Gitter magnetischer Flussschläuche, die im Kristallgitter festgepinnt sind -- Schwebebahnen oder supraleitende Lager für Generatoren und Schwungräder nutzen diesen Effekt aus. Erst bei einem höheren "kritischen Magnetfeld" wird die Supraleitung zerstört. Alexei Abrikosov gelang die theoretische Beschreibung dieses Phänomens. Er ging von einer Theorie aus, die von Vitaly Ginzburg und Lev Landau für Typ-I-Supraleiter ausgearbeitet worden war. Obwohl die Theorien schon in den 50er Jahren formuliert wurden, haben sie neue Aktualität durch die schnelle Entwicklung neuer Materialien erhalten.

Auch die von Alexander Müller und Georg Bednorz 1986 am Schweizer IBM-Forschungslabor in Rüschlikon entdeckten Kupferoxide, die bereits bei einer Temperatur von 35 Kelvin (-238 °C) ihren elektrischen Widerstand aufgeben, sind Typ-II-Supraleiter. Die Entdeckung solcher so genannter Hochtemperatur-Supraleiter, die bereits bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff supraleitend werden, löste hektische Forschungsaktivitäten aus, bei denen beispielsweise für die Entwicklung supraleitender Radarelektronik oder superschnellen supraleitenden Prozessoren beträchtliche Summen investiert wurden.

Das Ende der Ost-West-Konfliktes und die Erfolge herkömmlicher Silizium-Elektronik setzten der Forschung an supraleitender Elektronik jedoch hart zu -- erst in den vergangenen Jahren hat sich das Interesse jedoch überraschend stark wiederbelebt, da insbesondere auf dem Feld der Materialbeherrschung große Fortschritte gemacht worden sind. So werden supraleitende Komponenten für extrem leistungsfähige Hochfrequenzfilter eingesetzt und mit der schnellen Einzelflussquantentechnik steht mittlerweile eine Technik zur Verfügung, die schon bald Prozessoren mit einigen hundert Gigahertz Taktfrequenz ermöglichen könnte.

Anthony Leggett wird ausgezeichnet für seine in den 70er Jahren formulierte Theorie des suprafluiden Zustandes. Flüssiges Helium verliert unterhalb einer bestimmten Temperatur seine gesamte Viskosität. Atome des seltenen Isotops 3He müssen Paare bilden, analog zu den Elektronenpaaren in metallischen Supraleitern. Die Arbeit von Leggett ist nach Auffassung des Nobelpreis-Komitees von genereller Bedeutung für das Verständnis von so genannten komplexen Phasenübergängen, wie sie beispielsweise auch bei Flüssigkristallen vorkommen. (wst)