Physik-Nobelpreis für Supraleitung und Suprafluidität

Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften verleiht in diesem Jahr den Nobelpreis in Physik zu gleichen Teilen an die Theoretiker Alexei A. Abrikosov, Vitaly L. Ginzburg und Anthony J. Leggett für ihre entscheidenden Beiträge zum Verständnis der Supraleitung und der Suprafluidität. Aufbauend auf Arbeiten von Ginzburg hat Abrikosov eine Theorie für die Supraleiter zweiter Art entwickelt, die Magnetfelder enthalten können. Leggetts Theorie konnte erklären, wie sich die Atome des Isotops Helium-3 bei sehr tiefer Temperatur paarweise zusammenschließen und in einen supraflüssigen Zustand übergehen.

Mit den russischen Physikern Vitaly L. Ginzburg und Alexei A. Abrikosov werden zwei Schüler des Physik-Nobelpreisträger Lev Landau geehrt. Schon 1950 hatten Ginzburg und Landau ihre berühmte Arbeit über die Supraleitung veröffentlicht. In der Ginzburg-Landau-Theorie wird ein Supraleiter durch einen Ordnungsparameter beschrieben. Wie man heute weiß, schließen sich in einem Supraleitender die Elektronen zu Cooper-Paaren zusammen, die in einen makroskopischen Quantenzustand kondensieren, so dass sie sich widerstandfrei bewegen können. Die Wellenfunktion dieses Quantenzustandes ist der Ordnungsparameter.

Die phänomenologische Ginzburg-Landau-Theorie wurde später durch die mikroskopische BCS-Theorie verbessert, für die John Bardeen, Leon Cooper und Bob Schrieffer ebenfalls mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Allerdings lässt sich die BCS-Theorie nur auf Supraleiter anwenden, die aus ihrem Inneren alle Magnetfelder herausdrängen. Wirkt ein zu starkes Magnetfeld auf solch einen Supraleiter erster Art, so bricht die Supraleitung zusammen. Mit der Ginzburg-Landau-Theorie hingegen kann man auch solche Materialien beschreiben, in deren Innern Magnetismus und Supraleitung koexistieren. Als Ginzburg und Landau ihre Theorie aufstellten, waren solche Supraleiter zweiter Art noch unbekannt.

Um die Ginzburg-Landau-Theorie zu überprüfen, begann der Experimentalphysiker Nicolai V. Zavaritzki an Pyotr L. Kapitzas Institut in Moskau, dünne supraleitende Schichten zu untersuchen. Zunächst bestätigten sich die Vorhersagen, die die Theorie für Supraleiter erster Art machte. Doch dann traten Abweichungen zutage, die auf einen neuartigen Zustand schließen ließen. Diese überraschenden Ergebnisse diskutierte Zavaritzki mit Alexei Abrikosov, der an der Universität sein Zimmergenosse war.

Abrikosovs Berechnungen zeigten, dass in einen Supraleiter zweiter Art ein Magnetfeld in Form einzelner Flusslinien eindringen kann, wenn die Feldstärke einen kritischen Wert überschreitet. Diese Flusslinien, die vom supraleitenden Material abgeschirmt werden, ordnen sich in einem zweidimensionalen Gitter an, das nach Abrikosov benannt ist. Erst wenn die Feldstärke einen zweiten, höheren kritischen Wert überschreitet, bricht die Supraleitung zusammen. Schon 1952 veröffentlichten Zavaritzki und Abrikosov ihre grundlegenden Arbeiten über die Supraleiter zweiter Art, die indes außerhalb Russland lange Zeit unbeachtet geblieben sind.

Supraleiter zweiter Art haben große kommerzielle Bedeutung, da sie auch in sehr starken Magnetfeldern ihre ungewöhnlichen Eigenschaften behalten. Sie finden zum Beispiel in supraleitenden Magnetspulen Anwendung, wie sie im Large Hadron Collider am CERN eingebaut werden. Auch die noch immer unzureichend verstandenen Hochtemperatursupraleiter, für deren Entdeckung Gerd Bednorz and Alex Müller 1987 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden, sind Supraleiter zweiter Art. Die Flusslinien in einem Supraleiter zweiter Art entsprechen winzigen Wirbeln im supraleitenden Kondensat. Solche Wirbel können auch in Supraflüssigkeiten auftreten und sich zu Abrikosov-Gittern ordnen.

Der britische Physiker Anthony J. Leggett hat entscheidend dazu beigetragen, eine bestimmte Art von Ordnung in Supraflüssigkeiten zu verstehen, die völlig reibungslos fließen können. Bei herkömmlichen Supraflüssigkeiten wie Helium-4 sind die Atome Bosonen und können bei hinreichend tiefer Temperatur in ein superflüssiges Bose-Einstein-Kondensat übergehen. Doch auch Helium-3, dessen Atome Fermionen sind, kann zur Supraflüssigkeit werden, wie die späteren Nobelpreisträger David Lee, Douglas Osheroff and Robert Richardson 1972 beobachtet haben. Dabei schließen sich je zwei Heliumatome zusammen, ähnlich den zu Cooper-Paaren verbundenen Elektronen in Supraleitern.

Während die beiden Elektronen eines Cooper-Paares ihre Spins entgegengesetzt ausrichten und in einem drehsymmetrischen Singulettzustand sind, zeigen die Kernspins der Heliumatome in dieselbe Richtung. Es entsteht ein Triplettzustand, der die Rotationssymmetrie verletzt. Zusätzlich können die Heliumatome noch umeinander kreisen und einen Bahndrehimpuls aufweisen. Ausgehend von Landaus Theorie der Suprafluidität hat Leggett 1972 entdeckt, dass in einer anisotropen Supraflüssigkeit wie Helium-3 verschiedene Symmetrien verletzt oder gebrochen sein können. Sowohl die Spins als auch die Bahndrehimpulse der Atompaare richten sich dann in der Supraflüssigkeit in geordneter Weise aus. Dies hat zur Folge, dass normalflüssiges Helium-3 in unterschiedliche suprafluide Phasen übergehen kann. Die Experimente mit Helium-3 haben Leggetts Theorie eindrucksvoll bestätigt.

Die höchste Auszeichnung für Physiker ist in diesem Jahr mit umgerechnet 1,1 Millionen Euro (10 Millionen Schwedischen Kronen) dotiert. Die Nobelpreise werden traditionsgemäß am 10. Dezember überreicht, dem Todestag des Preisstifters Alfred Nobel (1833 - 1896).

Im vergangenem Jahr erhielten die Amerikaner Raymond Davis und Riccardo Giacconi sowie der Japaner Masatoshi Koshiba den Preis. Sie hatten die kosmische Röntgenstrahlung sowie die kosmischen Neutrinos entdeckt. Am Mittwoch folgt die Bekanntgabe der Träger des Chemie- Nobelpreises.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Pressemitteilung der Nobel-Stiftung:
  http://www.nobel.se/physics/laureates/2003/press-ge.html

• Hintergrundinformation:
  http://www.nobel.se/physics/laureates/2003/phyadv03.pdf

• Homepage von Alexei A. Abrikosov, Argonne National Laboratory:
  http://www.msd.anl.gov/groups/cmt/people/abrikosov.html

• Homepage von Vitaly L. Ginzburg, P.N. Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences:
  http://www.tamm.lpi.ru/staff/ginzburg.html

• Homepage von Anthony J. Leggett, University of Illinois at Urbana-Champaign:
  http://www.physics.uiuc.edu/People/Faculty/profiles/Leggett/

• Seite des CERN zur Entwicklung von Teilchenbeschleunugern (mit Filmen):
  http://acqtstreamer.cern.ch/index.html

• Einführungen "Supraleitung für Anfänger":
  http://superconductors.org/
  http://www.chemsoc.org/exemplarchem/entries/igrant/main_noflash.html

Weitere Literatur:

• D. J. Bishop, P. L. Gammel und D. A. Huse, Resistance in High-Temperature Superconductors, Scientific American 268, 24 (1993).

• N. D. Mermin und D. M. Lee, Superfluid Helium 3, Scientific American 235, 56 (1976).

• G. Pickett, Suddenly it's chaos, Nature 424, 1002 (2003).

• V. L. Ginzburg, Research on superconductivity (brief history and outlook for the future), Superconductivity, S. 1 (1992).

• A. J. Leggett, Superfluids and Superconductors, Twentieth Century Physics II, red. L. M. Brown, A. Pais und B. Pippard, IOP Publishing, S. 913 (1995).

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