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Lexikon Physik

Supraleitung und Suprafluidität

Supraleitung und Suprafluidität sind zwei Quanteneffekte, die bei tiefen bis extrem tiefen Temperaturen auftreten:

  • Supraleitung bezeichnet das Verschwinden des elektrischen Widerstands unterhalb einer materialspezifischen Sprungtemperatur, die zwischen Bruchteilen von Kelvin über dem absoluten Nullpunkt und ca. –100 °C liegen kann. Dies kommt dadurch zustande, dass sich dann die Leitungselektronen zu sog. Cooper-Paaren (nach Leon Cooper) zusammenfinden. Diese Paare sind anders als einzelne Elektronen Bosonen und keine Fermionen und damit nicht dem Pauli-Prinzip unterworfen. Darum können sie alle gemeinsam den quantenmechanischen Grundzustand einnehmen. Wenn dann außerdem noch die Wärmeenergie im Material kleiner als die Anregungsenergie des ersten angeregten Cooper-Paar-Zustands ist, können die Elektronenpaare den Grundzustand nicht verlassen und bewegen sich komplett ungestört durch den Leiter.
    Neben eine Vielzahl von Metallen, die Supraleiter werden können, kennt man auch die keramischen Hochtemperatur-Supraleiter, welche die höchsten bekannten Sprungtemperaturen aufweisen.
  • Unter Suprafluidität (Superfluidität) versteht man analog zur Supraleitung die Eigenschaft von Stoffen, die bei tiefen Temperaturen jegliche Viskosität (innere Reibung) zu verlieren. Auch finden sich alle Atome oder Moleküle in einem kollektiven Grundzustand, aus dem aufgrund der tiefen Temperatur nicht mehr in den ersten angeregten Zustand gelangen können. Die Folge ist ein ideal reibungsfreies Fließen – eine einmal begonnene suprafluide Ringströmung kann über Jahre aufrechterhalten werden.
    Suprafluidität tritt vor allem in bosonischen Flüssigkeit auf, etwa dem Helium-Isotop 4He. In dem fermionischen 3He müssen sich die Atome erst zu Cooper-Paaren zusammenfinden (s. o.), bevor das Material suprafluid wird.
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