Am 8. April 1911 niederländischer Physiker Heike Kamerlingh Onnes kritzelte mit Bleistift eine fast unverständliche Notiz hinein ein Küchennotizbuch: „nahezu null.“
Die Notiz bezog sich auf den elektrischen Widerstand, den er während eines bahnbrechenden Experiments gemessen hatte, das später als Entdeckung der Supraleitung gelten sollte. Doch zunächst bräuchten er und sein Team noch viele weitere Versuche, um die Messung zu bestätigen.
Ihre Entdeckung eröffnete eine Welt potenzieller wissenschaftlicher Anwendungen. Im darauffolgenden Jahrhundert gab es viele Fortschritte, doch Supraleitungsforscher können heute Lehren daraus ziehen Onnes‘ ursprüngliches, mit dem Nobelpreis ausgezeichnetes Werk.
Ich habe mich schon immer für Herkunftsgeschichten interessiert. Als Physikprofessor und Autor von Büchern zum Thema Geschichte der PhysikIch suche nach der interessanten Hintergrundgeschichte – den Wendungen und Zufällen, die hinter großen Entdeckungen liegen.
Die wahren Geschichten hinter diesen Entdeckungen sind normalerweise chaotischer als die im Nachhinein erarbeiteten, einstudierten Erzählungen, und einige der Lehren aus Onnes‘ Experimenten sind auch heute noch relevant, da Forscher nach neuen Supraleitern suchen, die eines Tages nahe Raumtemperatur funktionieren könnten.
Supraleitung
Ein seltener Quanteneffekt, der es ermöglicht, dass elektrische Ströme in supraleitenden Drähten widerstandslos fließen. Supraleitung ermöglicht eine Vielzahl wissenschaftlicher Anwendungen. Diese beinhalten MRT-Geräte und kraftvoll Teilchenbeschleuniger.
Stellen Sie sich vor, Sie würden eine Reihe von Glasperlen, die an einem reibungslosen Draht aufgereiht sind, mit einem einzigen Druck betätigen. Sobald die Perlen anfangen, sich entlang des Drahtes zu bewegen, hören sie nie auf, wie bei einem ewige Bewegung Maschine. Das ist die Idee hinter der Supraleitung – Teilchen fließen ohne Widerstand.
Damit Supraleiter funktionieren, müssen sie auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt werden, die kälter sind als jede arktische Explosion. So kühlte Onnes‘ ursprüngliches Werk Helium auf nahezu 100 % ab absolute Nulltemperatur bereitete den Grundstein für seine unerwartete Entdeckung der Supraleitung.
Supraleitung entsteht, wenn ein Strom keinen elektrischen Widerstand erfährt.
Die Entdeckung
Onnesein Physikprofessor an der Universität Leiden in den Niederlanden, baute im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts das weltweit führende Tieftemperaturphysiklabor.
Sein Labor war der erste, der Helium von einem Gas in eine Flüssigkeit umwandelte, indem er das Gas ausdehnte und abkühlte. Seinem Labor gelang es, Helium auf eine Temperatur von -452 Grad Fahrenheit (-269 Grad Celsius) abzukühlen.
Anschließend begann Onnes mit der Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit von Metallen bei diesen kalten Temperaturen. Er begann mit Quecksilber, weil Quecksilber in flüssiger Form Elektrizität leiten kann und sich daher leicht in Glasröhrchen füllen lässt. Bei niedrigen Temperaturen gefriert das Quecksilber und es entstehen Metalldrähte, die Onnes in seinen Leitfähigkeitsexperimenten verwenden kann.
Am 8. April 1911 überführten seine Labortechniker flüssiges Helium in einen Messkryostaten – einen Glasbehälter mit Vakuummantel, um ihn von der Raumwärme zu isolieren. Sie kühlten das Helium auf -454 F (-270 C) ab und maßen dann den elektrischen Widerstand des Quecksilberdrahts, indem sie einen kleinen Strom durch ihn schickten und die Spannung maßen.
Damals schrieb Onnes die kryptische Messung „nahezu null“ hinein sein KüchennotizbuchDas bedeutet, dass der Draht ohne messbaren Widerstand Strom leitete.
Dieses Datum, der 8. April, wird oft als Entdeckung der Supraleitung bezeichnet, aber die ganze Geschichte ist nicht so einfach, weil Wissenschaftler ein gekritzeltes „nahezu Null“ nicht als ausreichenden Beweis für eine neue Entdeckung akzeptieren können.
Auf der Suche nach Beweisen
Onnes‘ Team führte sein nächstes Experiment durch mehr als sechs Wochen späteram 23. Mai. An diesem Tag kühlten sie den Kryostat erneut auf -454 F (-270 C) ab und ließen die Temperatur dann langsam ansteigen.
Zunächst konnten sie kaum einen elektrischen Widerstand messen, was auf Supraleitung hindeutete. Der Widerstand blieb bis zu -452 F gering, stieg dann aber plötzlich um mehr als das 400-fache an, als die Temperatur nur um einen Bruchteil eines Grads anstieg.
Der Anstieg war so schnell und so unerwartet, dass sie begannen, nach einem elektrischen Fehler oder einem offenen Stromkreis zu suchen, der durch die Temperaturschwankungen verursacht worden sein könnte. Aber sie konnten nichts Falsches finden. Sie verbrachten weitere fünf Monate damit, ihr System zu verbessern, bevor sie es erneut versuchten. Am 26. Oktober wiederholten sie das Experiment und erfassten den früheren plötzlichen Anstieg des Widerstands.
Eine Woche später präsentierte Onnes diese Ergebnisse dem Ersten Solvay-Konferenzund zwei Jahre später erhielt er seinen Nobelpreis für Physik und würdigte damit seine Arbeiten im Tieftemperaturbereich im Allgemeinen, nicht jedoch die Supraleitung im Besonderen.
Es dauerte weitere drei Jahre fleißiger Arbeit, bis Onnes seine unwiderlegbaren Beweise hatte: Er maß dauerhafte Ströme, die nicht abfielen, und zeigte am 24. April 1914, dass der Widerstand wirklich Null war und Supraleitung herrschte.
Neue Grenzen für kritische Temperaturen
In den Jahrzehnten nach Onnes‘ Entdeckung Viele Forscher haben es untersucht wie Metalle bei unterkühlten Temperaturen wirken und haben mehr über Supraleitung gelernt.
Aber wenn Forscher Supraleitung nur bei extrem niedrigen Temperaturen beobachten können, ist es schwierig, daraus etwas Nützliches zu machen. Es ist zu teuer, eine Maschine praktisch zu betreiben, wenn sie nur bei -400 F (-240 C) arbeitet.
Daher begannen Wissenschaftler mit der Suche nach Supraleitern, die bei praktischen Temperaturen funktionieren können. So zum Beispiel K. Alex Müller und J. Georg Bednorz am IBM-Forschungslabor in der Schweiz habe das herausgefunden Metalloxide wie Lanthan-Barium-Kupfer-Oxid, bekannt als LBCO, sein könnte gute Kandidaten.
Das IBM-Team brauchte etwa drei Jahre, um die Supraleitung in LBCO zu finden. Aber als sie es taten, war ihre Arbeit einen neuen Rekord aufgestelltwobei Supraleitung 1986 bei -397 F (-238 C) beobachtet wurde.
Ein Jahr später, 1987, ersetzte ein Labor in Houston Lanthan in LBCO durch das Element Yttrium, um YBCO herzustellen. Sie demonstrierte Supraleitung bei -292 F. Diese Entdeckung machte YBCO zum ersten praktischen Supraleiter, da es funktionieren konnte, während es in kostengünstigen flüssigen Stickstoff eingetaucht war.
Seitdem haben Forscher Supraleitung bei Temperaturen beobachtet bis zu -164 F (-109 °C), aber die Entwicklung eines Raumtemperatur-Supraleiters ist noch immer nicht möglich.
Im Jahr 2023 behaupteten zwei Gruppen, sie hätten Beweise für Supraleitung bei Raumtemperatur, obwohl beide Berichte auf scharfe Skepsis stießen und beide nach weiterer Prüfung nun in der Schwebe sind.
Der Nachweis der Supraleitung war schon immer schwierig, da sich einige Metalle als Supraleiter ausgeben können. Die Lektionen, die Onnes vor einem Jahrhundert gelernt hat – dass diese Entdeckungen Zeit, Geduld und vor allem den Nachweis niemals aufhörender Strömungen erfordern – sind auch heute noch relevant.
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