Hochtemperatur-Supraleiter in hohen Stromdichten

Forschungsprojekt P 14276Hochtemperatur-Supraleiter in hohen StromsichtenWolfgang LANG 24.01.2000 Die neuen Supraleiter mit hoher kritischer Temperatur haben weltweite Forschungsaktivitäten stimuliert und erste kommerzielle Anwendungen sind im Entstehen. Trotz dieser Anstrengungen fehlt bisher eine genaues Verständnis des Mechanismus, der für die hohe Übergangstemperatur und die vielen unkonventionellen physikalischen Eigenschaften dieser Materialien verantwortlich ist. In diesem Forschungsprojekt wird im Besonderen die Wechselwirkung zwischen Verankerung und Bewegung der magnetischen Flußschläuche in sehr hohen Stromdichten untersucht, wie sie für die elektrischen Transporteigenschaften im verlustbehafteten Zustand unterhalb der kritischen Temperatur verantwortlich ist. Eine neue experimentelle Methode gestattet die Messung der elektrischen Transporteigenschaften in verschiedenen magnetischen Feldern mit starken, gepulsten Strömen, ohne eine signifikante Erwärmung der Proben - experimentelle Bedingungen, die zuvor nicht erforscht wurden. Die Untersuchung der elektrischen Transporteigenschaften unter einer Nicht-Gleichgewichtsverteilung der normalleitenden Ladungsträger, wie sie sich in starken elektrischen Feldern ausbildet, läßt wertvolle Erkenntnisse über die inelastische Streuung von Ladungsträgern in Hochtemperatur-Supraleitern erwarten und kürzlich veröffentlichte Vorhersagen eines Nicht-Ohmschen Verhaltens können untersucht werden. Die Anwendung von überkritischen Strömen im supraleitenden Zustand wird zur Untersuchung der physikalischen Eigenschaften der Quasiteilchen zu tiefen Temperaturen hin verwendet, wie sie mit herkömmlichen elektrischen Methoden nicht möglich ist. In hohen Stromdichten übertrifft die daraus resultierende Lorentzkraft die Verankerungsenergie der Flußschläuche und die Probe wechselt in den verlustbehafteten Zustand, sogar tief unter der Übergangstemperatur. In diesem Zusammenhang werden der Halleffekt, der durch Flußschlauchbewegung hervorgerufen wird, und elektronische Instabilitäts- und Schaltphänomene untersucht. Die Untersuchungen werden in Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen aus Österreich, Italien, Rußland und der Schweiz durchgeführt und es werden Auswirkungen auf die Entwicklung von kommerziellen Anwendungen von Hochtemperatur-Supraleitern, die mit hohen Strömen arbeiten, erwartet, wie Stromübertragungsleitungen und Fehlstrombegrenzer.

Mit der Entwicklung einer speziellen Meßmethode wurden neuartige Erkenntnisse über die Eigenschaften von Hochtemperatur-Supraleitern unter extrem hohen Stromstärken gefunden. Die aufregendste Eigenschaft von Supraleitern ist die Fähigkeit elektrischen Strom ohne Widerstand und damit ohne Energieverlust durch das Material zu leiten. Wenn Strom in einem geschlossenem Ring aus supraleitendem Material einmal in Bewegung gesetzt wurde, fließt er unbegrenzt weiter, vorausgesetzt, dass gewisse Grenzwerte nicht überschritten werden. Dieser Effekt kann auch technisch genutzt werden, z. B. um starke permanente Magnetfelder zu erzeugen. Viele andere mögliche Anwendungen in der elektrischen Energieversorgung, für Präzisionsmesstechniken, als auch superschnelle Elektronikschaltkreise und Computer profitieren ebenfalls von der einzigartigen Eigenschaft dieser Materialien, elektrische Energie ohne Verluste zu transportieren. Der besondere Vorteil der neuen Supraleiter ist, dass die Betriebstemperatur, die unter einer gewissen kritischen Temperatur liegen muss, leicht mit vorhandener Kältetechnologie erreicht werden kann. Daher werden diese Materialien auch als "Hochtemperatur-Supraleiter" bezeichnet. Die neuen Supraleiter können extrem hohe, aber nicht unbegrenzte, Ströme transportieren. Bei einer derartig hohen Stromdichte würden konventionelle Metalle augenblicklich schmelzen. Im Zuge dieses Projekts wurden die Eigenschaften von Hochtemperatur-Supraleitern nahe oder über dem begrenzenden kritischen Strom ausführlich untersucht. Hierzu wurde eine neuartige Meßmethode entwickelt, die Untersuchungen innerhalb eines zwanzigstel einer millionsten Sekunde erlaubt. Damit ist unsere Technik die zur Zeit weltweit schnellste dieser Art und vermeidet die vernichtenden Aufheizungseffekte, wenn der kritische Strom während der Messung überschritten wird. Unter diesen experimentellen Bedingungen, die zuvor nicht untersucht werden konnten, wurden mehrere neuartige Effekte entdeckt und erfolgreich mit unseren aktuellen theoretischen Arbeiten erklärt. Die Untersuchungen wurden in Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen aus Österreich, Frankreich, Italien, Russland und den USA durchgeführt. Es werden Auswirkungen auf die Entwicklung von kommerziellen Anwendungen von Hochtemperatur-Supraleitern, die mit hohen Strömen arbeiten, erwartet, wie Stromübertragungsleitungen und Fehlstrombegrenzer.