Laserblitz lässt Strom verlustfrei fließen

Die Max-Planck-Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik an der Universität Hamburg fand heraus, dass sich ein Isolator durch einen Laserblitz für kurze Zeit in einen Supraleiter verwandeln lässt. Die Beobachtungen liefern einen Beitrag zum Verständnis von so genannten Hochtemperatur-Supraleitern, einer Klasse von Supraleitern, die eines Tages Strom bei Raumtemperatur verlustfrei leiten könnte und von der Experten daher ein großes Anwendungspotenzial erwarten. In der der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „Science“ stellt die Forschergruppe um den Physikprofessor Andrea Cavalleri ihre Entdeckung vor.

Ein Kabelnetz, das Strom verlustfrei leitet, oder superschnelle und gleichzeitig energieeffiziente Magnetschwebebahnen, das sind Vorstellungen, die mit Hilfe so genannter Hochtemperatur-Supraleiter in Zukunft Realität werden könnten. Diese Art von Supraleitern  meist handelt es sich um Kupferoxid-Keramiken  leiten Strom bei vergleichsweise hohen Temperaturen verlustfrei. Während supraleitende Metalle ihren elektrischen Widerstand erst verlieren, wenn sie auf wenige Grad über -273 °C gekühlt werden, nehmen manche Hochtemperatur-Supraleiter den supraleitenden Zustand schon an, wenn ihre Temperatur etwa -100 °C unterschreitet. Das Ziel vieler Forscher ist es, neue Keramiken zu entwickeln, die sogar bei Raumtemperatur Supraleiter sind, und den erstaunlichen physikalischen Effekt so aus den Labors in den Alltag bringen.

Am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) auf dem DESY-Gelände hat die Max-Planck-Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik eine besondere Keramik-Sorte verwendet. Zusammen mit Forschern aus England und Japan sendeten die Hamburger Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen einen Puls aus infrarotem Laserlicht auf diese Kupferoxid-Keramiken, die durch einen speziellen Kristallaufbau gekennzeichnet sind. Der Laserpuls dauerte einige Femtosekunden, eine Zeit, in der Licht weniger als ein Tausendstel Millimeter zurücklegt. Unmittelbar danach hatten die Wissenschaftler gemessen, dass die Keramik supraleitend geworden war.

„Besonders überrascht waren wir davon, wie schnell sich der supraleitende Zustand einstellte“, sagt Cavalleri. Es dauerte nur etwa eine Pikosekunde (eine Billionstel Sekunde) in dieser Zeit legt Licht einen zehntel Millimeter zurück.

Die Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik nimmt an, dass der Laserpuls dort, wo er in die Keramik eindringt, die normalerweise gestreifte Ordnung auslöscht, gewissermaßen als ob Wellpappe in glatte Pappe umgewandelt wird. Dies ermöglicht, dass der supraleitende Strom zwischen den Schichten fließen kann und somit eine nach außen hin messbare Supraleitung auftritt.

„Und der supraleitende Zustand bleibt erhalten, nachdem der Laserpuls erloschen ist“, betont Cavalleri. Eine Million Mal länger als der Laserpuls dauert, nämlich knapp eine Millionstel Sekunde lang, bleibt die Keramik supraleitend. Der durch das Laserlicht erzeugte supraleitende Zustand sei ein „geschützter Zustand“, erklärt Cavalleri, das System brauche daher einige Zeit, um in seinen nicht-supraleitenden Grundzustand zurückzukehren.

Wie sich ein solcher Zustand stabilisieren lässt, wird die Max-Planck-Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik an der Universität Hamburg noch weiter beschäftigen.

Für Rückfragen:

Prof. Dr. Andrea Cavalleri
Max-Planck-Forschungsgruppe für Strukturelle Dynamik
an der Universität Hamburg
Center for Free-Electron Laser Science (CFEL)
Tel.: 040-8998 5356 (Sekretariat)
E-Mail: andrea.cavalleri@mpsd.cfel.de (andrea.cavalleri"AT"mpsd.cfel.de)