10.01.2011

Einfluss von Elektronen bei Reibungsverlusten

Im supraleitenden Zustand ist der elektronische Beitrag zur Reibung deutlich reduziert.

Im supraleitenden Zustand ist der elektronische Beitrag zur Reibung deutlich reduziert.

Seit rund 500 Jahren fasziniert das Phänomen der Reibung die Wissenschaft – angefangen bei Leonardo da Vinci mit seinen ersten Studien zur Gleitreibung. Noch heute forschen Wissenschaftler an diesem Thema, wobei insbesondere die elektronischen und phononischen Beträge zur Reibung von Interesse sind. Der Einfluss der Elektronen an Reibungsverlusten ist dabei deutlich höher als bisher vermutet. Zu diesem Schluss kommt eine Studie von Physikern der Universität Basel.

In einem Reibungsprozess wird Energie über verschiedene Kanäle abgeführt. Um herauszufinden, welchen Anteil die Elektronen an dem Energietransport haben, untersuchte das Forscherteam um Ernst Meyer das Reibungsverhalten von Niob, einem supraleitenden Material, sowohl im supraleitenden wie auch im normalleitenden Zustand. Dazu wurde in einem Rasterkraftmikroskop der hochsensible Cantilever nahe der Probe zum Oszillieren gebracht. Aus dem Oszillationsverhalten ließ sich der Reibungskoeffizient bestimmen.

Beim Übergang in den supraleitenden Zustand werden die Elektronen paarweise in sogenannte Cooper-Paare gebunden, wodurch sie nicht mehr als Energietransporteure des Reibungsverlustes wirken können. Dieser Vorgang ist auch für die verlustfreie Stromübertragung verantwortlich. Bei diesem Übergang konnte eine deutliche Reduktion der Reibungsverluste um über 60% festgestellt werden, was deutlich höher ist als bisher angenommen. Die ermittelte Temperaturabhängingkeit stimmt mit der Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) Theorie überein. Das bedeutet, dass die Reibung im metallischen Zustand hauptsächlich elektronischen Ursprungs ist, während im supraleitenden Zustand die phononische Reibung dominiert.

Abb.: Die kritische Tempereatur von Niob liegt bei Tc = 9,2 K. Unterhalb dieser Temperatur ist der Reibungskoffizienz deutlich niedriger als darüber. Die roten Punkte entsprechen den Messwerten bei einem Abstand von 0,5 nm zwischen der Probe und der Cantileverspitze, welche mit einer Kurve (grün) angepasst wurden, die sich aus der BCS-Theorie ergibt. (Bild: M. Kisiel et al., Nature Materials)
 

Die neue Erkenntnis über die grundlegenden Prozesse von Reibung könnte bei der zukünftigen Entwicklung reibungsarmer Werkstoffe eine wichtige Rolle spielen. Gesucht wird nun nach weiteren Möglichkeiten, die Kanäle, über welche die Energie transportiert wird, zu unterbinden.

Universität Basel / MH

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