Supraleitung

Unterhalb einer kritischen Temperatur leiten bestimmte Materialien Elektrizität mit exakt null Widerstand und verdrängen Magnetfelder, ein makroskopischer Quantenzustand, der durch die Paarung von Elektronen erklärt wird.

Definition

Supraleitung ist eine thermodynamische Phase, die unterhalb einer kritischen Temperatur erreicht wird, in der sich Elektronen zu Cooper-Paaren verbinden, die zu einem einzigen kohärenten Quantenzustand kondensieren, was zu exakt null elektrischem Widerstand und der Verdrängung des magnetischen Flusses, bekannt als Meißner-Effekt, führt.

Scope

Dieser Bereich umfasst die Phänomenologie und mikroskopische Theorie der Supraleitung: Nullwiderstand und den Meißner-Effekt, die phänomenologischen Theorien von London und Ginzburg-Landau, die BCS-Theorie der Cooper-Paarung, Typ-I- und Typ-II-Verhalten mit Flusswirbeln, den Josephson-Effekt und die noch unerklärten Hochtemperatur-Supraleiter auf Kuprat- und Eisenbasis. Er behandelt den supraleitenden Zustand als makroskopisches Quantenphänomen und stellt Verbindungen zu Magnetismus, Phononen und starker Elektronenkorrelation her.

Sub-topics

• bcs theory and cooper pairing
• ginzburg landau theory and vortices
• high temperature superconductors
• meissner effect and london theory

Core questions

• Warum verdrängt ein Supraleiter Magnetfelder (den Meißner-Effekt), anstatt lediglich null Widerstand zu haben?
• Wie ermöglicht der BCS-Mechanismus, dass sich Elektronen, die sich gegenseitig abstoßen, zu Cooper-Paaren verbinden?
• Was unterscheidet Typ-I- von Typ-II-Supraleitern, und wie entstehen Flusswirbel?
• Warum bleiben die Hochtemperatur-Kuprat-Supraleiter durch die konventionelle BCS-Theorie unerklärt?

Key concepts

• Nullwiderstand und der Meißner-Effekt
• Cooper-Paare und die supraleitende Energielücke
• London- und Ginzburg-Landau-Theorien
• Typ-I-, Typ-II-Supraleiter und Flusswirbel
• Josephson-Effekt und makroskopische Phasenkohärenz

Key theories

BCS-Theorie

Bardeen, Cooper und Schrieffer zeigten, dass eine schwache phononvermittelte Anziehung Elektronen nahe der Fermi-Oberfläche zu Cooper-Paaren bindet, die zu einem kohärenten Zustand mit einer Energielücke kondensieren, was den Nullwiderstand, den Meißner-Effekt und den Isotopie-Effekt erklärt.

Ginzburg-Landau-Theorie

Eine phänomenologische Ordnungsparameter-Theorie beschreibt den supraleitenden Übergang und räumliche Variationen des Kondensats; ihr Verhältnis von Eindringtiefe zu Kohärenzlänge klassifiziert Supraleiter als Typ-I oder Typ-II und sagt das Abrikosov-Wirbelgitter voraus.

Clinical relevance

Supraleiter ermöglichen verlustfreie Energieübertragung, die in MRT-Scannern und Teilchenbeschleunigern verwendeten Hochfeldmagnete sowie hochempfindliche SQUID-Magnetometer und Quantencomputing-Qubits, die auf dem Josephson-Effekt basieren; die Hochtemperatur-Supraleitung bleibt eines der zentralen ungelösten Probleme der Physik.

History

Kamerlingh Onnes entdeckte die Supraleitung in Quecksilber im Jahr 1911; der Meißner-Effekt (1933) und die London- und Ginzburg-Landau-Phänomenologien gingen der mikroskopischen BCS-Theorie von 1957 voraus, und die Entdeckung der Kuprat-Supraleitung durch Bednorz und Müller im Jahr 1986 eröffnete das noch offene Kapitel der Hochtemperatur-Supraleitung.

Debates

Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung

Der Paarungsmechanismus in Kuprat- und anderen unkonventionellen Supraleitern ist nicht geklärt; ob er durch Spinfluktuationen, andere elektronische Korrelationen oder einen phononunterstützten Prozess angetrieben wird, bleibt eine aktive und ungelöste Frage.

Key figures

• John Bardeen
• Heike Kamerlingh Onnes
• Vitaly Ginzburg

Seminal works

• bardeen1957
• bednorz1986
• tinkham2004

Frequently asked questions

Ist ein Supraleiter nur ein perfekter Leiter?

Nein. Ein perfekter Leiter würde lediglich jedes vorhandene Feld einfangen; ein Supraleiter verdrängt aktiv den magnetischen Fluss (den Meißner-Effekt), was ihn als eine eigenständige thermodynamische Phase kennzeichnet und nicht nur als ein Metall ohne Widerstand.

Wie können sich Elektronen, die sich gegenseitig abstoßen, paaren?

In konventionellen Supraleitern verzerrt ein Elektron das positive Ionengitter, und die resultierende Konzentration positiver Ladung zieht ein zweites Elektron an; diese phononvermittelte Anziehung kann die abgeschirmte Coulomb-Abstoßung überwinden und ein Cooper-Paar binden.