Das Rätsel des Quecksilbers: Wie ein Metall bei 4 Kelvin seinen Widerstand verlor

Von DerSchneider

Im April 1911 beobachtete Heike Kamerlingh Onnes in seinem Labor in Leiden ein Phänomen, das die Physik nachhaltig verändern sollte: Der elektrische Widerstand von hochreinem Quecksilber fiel bei einer Temperatur von etwa 4,2 Kelvin auf einen Wert, der unterhalb jeder damals möglichen Nachweisgrenze lag. Onnes selbst traute seinen Messgeräten zunächst nicht. Doch weitere Experimente bestätigten den Befund – und markierten die Geburtsstunde der Supraleitung.

Was genau geschieht in einem Metall, wenn es seinen elektrischen Widerstand scheinbar vollständig aufgibt? Und warum dauerte es fast ein halbes Jahrhundert, bis eine tragfähige Erklärung gefunden wurde?

Die Entdeckung: Ein Experiment am Rande des absoluten Nullpunkts

Kamerlingh Onnes hatte 1908 als erster Mensch Helium verflüssigt und damit eine Temperatur von 4,2 Kelvin erreicht – nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius . Diese technische Meisterleistung war die Voraussetzung für seine Untersuchungen zur Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von Metallen.

Sein Interesse galt einer grundlegenden Frage: Was geschieht mit dem Widerstand eines Metalls, wenn man es extrem abkühlt? Die theoretischen Erwartungen waren widersprüchlich. Einige Physiker vermuteten, der Widerstand werde gegen null gehen; andere erwarteten einen endlichen Restwiderstand . Onnes wählte Quecksilber für seine Experimente, weil es sich durch mehrfache Destillation in besonders hoher Reinheit herstellen ließ.

Die Messungen zeigten zunächst das erwartete Verhalten: Der Widerstand sank mit fallender Temperatur. Doch dann, bei etwa 4,2 Kelvin, geschah etwas Unerwartetes. Der Widerstand fiel nicht allmählich weiter ab, sondern brach innerhalb eines sehr schmalen Temperaturintervalls drastisch ein. Nach den Originalmessungen nahm der Widerstand zwischen 4,22 und 4,15 Kelvin um einen Faktor von mehr als einer Million ab .

Entscheidend für die Interpretation war ein Folgeexperiment aus dem Jahr 1914: Onnes induzierte einen Strom in einer geschlossenen Bleispule, entfernte die Stromquelle und beobachtete, dass der Strom über Stunden nicht messbar abklang . Ein derartiges Verhalten war mit klassischen Vorstellungen von elektrischer Leitung unvereinbar. Onnes nannte das neue Phänomen „Supraleitung“.

Was „verschwundener Widerstand“ experimentell bedeutet

Eine wichtige Präzisierung: Ein Widerstand von exakt null lässt sich nicht direkt messen. Jedes Messverfahren besitzt eine Nachweisgrenze. Was die Experimente zeigen, ist eine obere Grenze: Der Widerstand fällt unter einen Wert, der mit den verfügbaren Mitteln nicht mehr auflösbar ist. Moderne Dauerstrommessungen an supraleitenden Ringen belegen, dass die spezifische Resistivität im supraleitenden Zustand kleiner als etwa ${10}^{-24}$10−24 $\mu \mathrm{\Omega }$μΩcm sein muss – ein Wert, der sich jeder direkten Messung entzieht .

Für die technische Beschreibung – verlustfreier Stromtransport – ist dieser Unterschied ohne Belang. Für die experimentelle Genauigkeit ist er fundamental: Supraleitung bedeutet nicht „Widerstand = 0″, sondern „Widerstand unterhalb der Nachweisgrenze, mit einer extrem niedrigen oberen Schranke“.

Die lange Suche nach der Erklärung

Onnes erkannte rasch, dass sein Fund sich nicht mit der klassischen Physik erklären ließ. Doch es sollten mehr als vier Jahrzehnte vergehen, bis eine mikroskopische Theorie formuliert wurde.

In der Zwischenzeit sammelten Experimentalphysiker wichtige Hinweise. 1933 entdeckten Walther Meißner und Robert Ochsenfeld, dass Supraleiter nicht nur ideale Leiter, sondern auch ideale Diamagneten sind: Sie verdrängen Magnetfelder aus ihrem Inneren . Dieser Meißner-Ochsenfeld-Effekt zeigte, dass Supraleitung mehr ist als nur ein Extremfall elektrischer Leitung – es handelt sich um einen eigenen thermodynamischen Zustand der Materie.

Ein weiterer Fingerzeig war die Energielücke: Experimente zeigten, dass eine Mindestenergie aufgebracht werden muss, um ein Elektron aus dem supraleitenden Zustand herauszulösen. Diese Lücke in der Energieverteilung der Elektronen war der entscheidende Hinweis auf die zugrundeliegende Quantenmechanik.

BCS 1957: Cooper-Paare und der kollektive Quantenzustand

Im Jahr 1957 gelang John Bardeen, Leon Cooper und John Robert Schrieffer der Durchbruch. Ihre BCS-Theorie erklärte erstmals, warum bestimmte Metalle unterhalb einer kritischen Temperatur widerstandslos leiten .

Der Kern der Theorie ist kontraintuitiv: Elektronen, die sich aufgrund ihrer negativen Ladung abstoßen, gehen unter bestimmten Bedingungen eine schwache Anziehungskraft ein, die indirekt durch das Kristallgitter vermittelt wird. Ein Elektron, das sich durch das Gitter bewegt, zieht die positiv geladenen Atomrümpfe geringfügig aus ihrer Gleichgewichtslage. Diese Verzerrung breitet sich als Gitterschwingung (Phonon) aus und hinterlässt eine Spur positiver Ladung, die ein nachfolgendes Elektron anzieht. Bei sehr tiefen Temperaturen, wenn die thermische Bewegung die Gitterschwingungen nicht mehr dominiert, kann diese indirekte Anziehung ausreichen, um zwei Elektronen zu einem Cooper-Paar zu verbinden .

Cooper-Paare haben eine entscheidende Eigenschaft: Sie verhalten sich nicht wie einzelne Fermionen, die dem Pauli-Prinzip unterliegen. Da sie einen ganzzahligen Gesamtspin besitzen, gehorchen sie der Bose-Statistik . Alle Cooper-Paare eines Supraleiters können sich im selben Quantenzustand befinden und bilden ein kollektives Phänomen, beschrieben durch eine einzige makroskopische Wellenfunktion.

Um ein Cooper-Paar aufzubrechen, muss Energie aufgebracht werden. Diese Energie ist die Energielücke $\mathrm{\Delta }$Δ. Für schwach gekoppelte Supraleiter liefert die BCS-Theorie die Beziehung:$$2\mathrm{\Delta }(0)=\mathrm{3,53}\cdot k_B\cdot T_c$$2Δ(0)=3,53⋅kB​⋅Tc​

wobei $k_B$kB​ die Boltzmann-Konstante und $T_c$Tc​ die kritische Temperatur ist . Für Quecksilber mit seiner niedrigen Sprungtemperatur ist diese Lücke entsprechend klein – ein empfindliches Gleichgewicht, das bereits bei wenigen Kelvin durch thermische Energie zerstört werden kann.

Warum der Widerstand verschwindet

Der Zusammenhang zwischen Cooper-Paaren und verschwindendem Widerstand liegt in der Quantenstatistik. Ein einzelnes Elektron kann an einem Phonon gestreut werden und dabei Energie und Impuls ändern – das ist der mikroskopische Ursprung des Widerstands. Ein Cooper-Paar dagegen kann nicht so einfach gestreut werden, weil beide Elektronen durch die Paarbindung korreliert sind. Um den Bewegungszustand des Paares zu ändern, müsste die Paarungsenergie überwunden werden.

Bei Temperaturen weit unterhalb von $T_c$Tc​ und bei kleinen Strömen reicht die thermische Energie nicht aus, um die Paare aufzubrechen. Die Paare bewegen sich als kollektive Objekte durch das Gitter, ohne Energie zu dissipieren. Erst wenn der Strom zu groß wird oder ein zu starkes Magnetfeld angelegt wird, bricht die Paarung zusammen und die Supraleitung verschwindet.

Was BCS nicht erklärt: Die Grenzen der Theorie

So erfolgreich die BCS-Theorie für konventionelle Supraleiter wie Quecksilber, Blei oder Niob ist, so deutlich markiert sie auch eine Grenze. Innerhalb der BCS-Theorie ist eine höchste kritische Temperatur von etwa 30 Kelvin möglich . Als man in den 1980er Jahren keramische Materialien entdeckte, die bereits bei Temperaturen oberhalb von 30 Kelvin supraleitend wurden – und später Verbindungen mit Sprungtemperaturen von über 130 Kelvin –, versagte die BCS-Theorie in ihrer einfachen Form.

Der Phononen-vermittelte Mechanismus reicht bei diesen Hochtemperatur-Supraleitern nicht aus, um die hohen Sprungtemperaturen zu erklären. Bis heute ist nicht vollständig geklärt, welche Wechselwirkung dort die Cooper-Paare zusammenhält. Die Existenz von Cooper-Paaren und einer Energielücke gilt jedoch auch für diese Materialien als gesichert – nur der „Klebstoff“ ist ein anderer, und seine Natur ist Gegenstand intensiver Forschung .

Vom Laborphänomen zur Technologie

Onnes‘ Vision einer verlustfreien Energieübertragung über supraleitende Kabel ist bis heute nicht Realität geworden – jedenfalls nicht im Alltagsmaßstab. Die Notwendigkeit, Supraleiter auf Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts zu kühlen, macht ihren großflächigen Einsatz für die Energieversorgung unwirtschaftlich.

Dennoch sind Supraleiter aus der modernen Technologie nicht wegzudenken. In Kernspintomografen erzeugen supraleitende Spulen die extrem starken und stabilen Magnetfelder, die für die Bildgebung notwendig sind. Teilchenbeschleuniger wie der Large Hadron Collider nutzen supraleitende Magnete. SQUIDs (supraleitende Quanteninterferenzdetektoren) ermöglichen hochempfindliche Magnetfeldmessungen, und supraleitende Qubits sind ein vielversprechender Ansatz für Quantencomputer .

Fazit: Ein Fenster zur Quantenwelt

Die Entdeckung der Supraleitung am Quecksilber im Jahr 1911 war ein Bruch mit der klassischen Physik. Dass ein Metall bei tiefen Temperaturen seinen Widerstand unter die Nachweisgrenze fallen lässt, widersprach jeder Intuition. Es brauchte die Quantenmechanik in ihrer kollektiven Form – die BCS-Theorie von 1957 –, um zu verstehen, was in Leidens Labor geschah.

Das Quecksilber bei 4 Kelvin war nicht nur ein physikalisches Kuriosum. Es war ein Fenster zu einer Welt, in der Elektronen sich nicht mehr einzeln, sondern als kohärente Quantenwellen verhalten. Und es erinnert daran, dass die Natur sich nicht vorschreiben lässt, was möglich sein darf.

Kategorien: wissenspeicher, industriegeschichte

Schlagworte: Supraleitung, Quecksilber, Kamerlingh Onnes, BCS-Theorie, Cooper-Paare, Energielücke, Tieftemperaturphysik

Quellen:

1. Forschungszentrum Jülich: Supraleitung – Grundlagen und technische Anwendungen, Jül-0631 (Bericht zur technischen Nutzung und Widerstandsverhalten)
2. Forschungszentrum Jülich: BCS-Theorie und Supraleitung, Jül-2895 (Darstellung der BCS-Theorie, Cooper-Paare und Energielücke)
3. Hessisches Kultusministerium / Max-Planck-Gesellschaft: Techmax 05: Widerstand zwecklos – Supraleiter auf dem Sprung zu höheren Temperaturen (Onnes‘ Dauerstromexperiment, historischer Kontext)
4. Hessisches Kultusministerium / Max-Planck-Gesellschaft: Was ist Supraleitung?, Arbeitsblatt zu Techmax 05 (Entdeckungsgeschichte, 4,19 Kelvin)
5. De Gruyter: Supraleitung, Kapitel 13 (Meißner-Ochsenfeld-Effekt, historische Widerstandsmessungen, 4,22–4,15 K)
6. De Gruyter: Die grundlegenden experimentellen Tatsachen (Widerstandsabnahme um Faktor < 10⁻⁶ zwischen 4,22 K und 4,15 K)
7. Goethe-Universität Frankfurt: Supraleitung – Eine Einführung (Meißner-Ochsenfeld-Effekt, Supraleiter 1. und 2. Art)
8. Goethe-Universität Frankfurt: Bachelorarbeit zur Cooper-Paarung und BCS-Theorie (Cooper-Paare, Energielücke, Grenzen der BCS-Theorie bei Hochtemperatur-Supraleitern)
9. Max-Planck-Institut für Festkörperforschung: Keramische Werkstoffe II (BCS-Theorie, Energielücke, kollektives Verhalten der Cooper-Paare)
10. Spektrum Lexikon der Physik: Supraleitende Elektronik (Technische Anwendungen: SQUIDs, Josephson-Kontakte)