Boaz Almog lässt einen Supraleiter "schweben"

Das Phänomen, das Sie hier für einen Augenblick gesehen haben, heißt Quanten-Levitation und Quanten-Arretierung. Und das Objekt, das hier schweben gelassen wurde, ist ein Supraleiter. Supraleitung ist ein Quantenzustand von Materie, der nur unterhalb einer kritischen Temperatur möglich ist.

Es ist ein altbekanntes Phänomen, das schon vor 100 Jahren entdeckt wurde. Aber erst seit Kurzem können wir, dank technischer Fortschritte, nun die Quanten-Levitation und die Quanten-Arretierung demonstrieren.

Ein Supraleiter wird durch zwei Eigenschaften bestimmt. Erstens: er besitzt keinen elektrischen Widerstand und zweitens verdrängt er Magnetfelder aus seinem Inneren. Das klingt kompliziert, nicht wahr? Aber was ist elektrischer Widerstand? Elektrizität ist der Fluss von Elektronen innerhalb eines Materials. Während sie fließen, kollidieren die Elektronen mit Atomen und verlieren bei jeder der Kollisionen einen Teil ihrer Energie. Diese Energie verlieren sie in Form von Wärme, ein Effekt den wir alle kennen. In einem Supraleiter gibt es diese Kollisionen nicht und so geht auch keine Energie verloren.

Ziemlich beachtlich, wenn man drüber nachdenkt. In der klassischen Physik gibt es immer etwas Reibung und somit auch Energieverlust. Aber nicht hier, da wir von einem Quanteneffekt sprechen. Aber das ist nicht alles. Supraleiter mögen keine Magnetfelder und versuchen Magnetfelder aus ihrem Inneren zu verdrängen, was sie mithilfe von zirkulierenden Strömen erreichen können. Die Verbindung dieser beiden Eigenschaften – die Verdrängung von Magnetfeldern und das Fehlen eines elektrischen Widerstandes – ist genau das, was einen Supraleiter ausmacht.

Aber Theorie und Realität stimmen nicht immer zu 100% überein, manchmal verbleiben einige Bündel von Magnetfeldlinien im Supraleiter. Unter den richtigen Bedingungen, welche wir hier haben, können diese Bündel von Magnetfeldlinien im Supraleiter gefangen werden. Und diese Magnetfeldlinien im Inneren des Supraleiters kommen in diskreten Mengen vor. Warum? Weil es ein Quantenphänomen ist. Es ist Quantenphysik. Und wie es sich herausstellt, verhalten sie sich wie Quantenteilchen.

In diesem Film hier kann man sehen, wie sie diskret fließen. Es sind Bündel von Magnetfeldlinien, keine Teilchen, aber sie verhalten sich wie Teilchen. Darum nennen wir diesen Effekt Quanten-Levitation und Quanten-Arretierung.

Was passiert nun mit dem Supraleiter, wenn wir ihn in ein Magnetfeld legen? Zuerst sind einige Bündel von Magnetfeldlinien im Inneren gefangen, aber der Supraleiter mag es nicht, wenn sie sich bewegen, da ihre Bewegungen Energie verbrauchen, und so die Supraleitung stören. Der Supraleiter arretiert diese Bündel, welche auch als Fluxonen bezeichnet werden, und hält sie so an ihrem Platz. Hierdurch arretiert sich der Supraleiter selbst an einem Ort. Warum? Weil eine Bewegung des Supraleiters auch eine Bewegung der Fluxonen bedeuten und ihre Konfiguration ändern würde.

Wir erhalten also eine Quanten-Arretierung. Lassen Sie mich zeigen, wie das funktioniert. Hier habe ich einen isolierten Supraleiter. Wenn ich den jetzt auf einem normalen Magneten platziere, ist er einfach in der Luft verriegelt.

(Applaus)

Es ist nicht einfach Levitation. Es ist nicht einfach Abstoßung. Ich kann die Fluxonen neu anordnen und alles ist in der neuen Konfiguration arretiert. z.B. so, oder etwas weiter zur Rechten oder Linken. Das ist also Quanten-Arretierung – echtes Arretieren – in drei Dimensionen wird der Supraleiter arretiert. Natürlich kann ich es auch auf den Kopf drehen und es bleibt arretiert.

Jetzt verstehen wir dass die "Levitation" eigentlich eine Arretierung ist. Ja, wir verstehen das. Sie dürften jetzt nicht überrascht sein, wenn ich diesen runden Magneten nehme, in dem das Magnetfeld rund herum genau gleich ist, dass der Supraleiter sich um die Achse des Magneten frei bewegen kann. Warum? Solange er rotiert, bleibt die Arretierung bestehen. Sehen Sie? Ich kann den Supraleiter neu anordnen und rotieren lassen. Wir haben reibungslose Bewegung. Der Supraleiter schwebt noch, kann sich aber frei bewegen.

Wir haben also Quanten-Verriegelung und wir können ihn auf dem Magneten schweben lassen. Aber wie viele Fluxonen – Bündel von Magnetfeldlinien – sind in einer einzigen Scheibe wie dieser? Nun, wir können es berechnen und es sind viele. Einhundert Milliarden Magnetfeldlinien auf dieser 7,5 cm großen Scheibe.

Aber das ist noch nicht das Erstaunliche, ich habe eines noch verschwiegen. Das Erstaunliche ist, dass der Supraleiter, den Sie hier sehen, nur einen halben Mikrometer dick ist. Extrem dünn also. Und diese unglaublich dünne Scheibe kann mehr als das 70.000-fache seines eigenen Gewichts tragen. Ein unglaublicher starker Effekt.

Diesen runden Magneten kann ich natürlich auch erweitern, um ein beliebiges Gleis zu formen. z.B. ein großes rundes Gleis wie dieses hier. Und wenn ich den Supraleiter auf dieses Gleis lege, kann es sich frei bewegen.

(Applaus)

Und wieder ist das nicht alles. Ich kann die Position des Supraleiters ändern und ihn rotieren lassen. Er bewegt sich frei in seiner neuen Position. Und ich kann noch etwas neues ausprobieren; versuchen wir es hier zum ersten Mal. Ich kann diese Scheibe hier platzieren und während sie hier bleibt – nicht bewegen – werde ich versuchen, das Gleis auf den Kopf zu drehen und hoffentlich, wenn ich es richtig gemacht habe, bleibt die Scheibe in der Luft.

(Applaus)

Sie können sehen, es ist Quanten-Arretierung, kein Schweben. Lassen wir die Scheibe noch ein bisschen mehr kreisen, während ich Ihnen etwas über Supraleiter erzähle. Ähm – (Gelächter) – Wir wissen also, dass wir enorme Ströme in einem Supraleiter fließen lassen können. Wir können sie auch nutzen, um starke elektromagnetische Felder zu erstellen. Solche die wir z.B. in MRTs oder Teilchenbeschleunigern benötigen. Da wir keinen Energieverlust in Supraleitern haben, können wir mit ihrer Hilfe auch Energie speichern.

Und wir könnten Stromleitungen produzieren, mit denen wir enorme Strommengen zwischen Kraftwerken bewegen können. Stellen Sie sich vor, wir könnten ein einzelnes Kraftwerk mittels eines supraleitenden Kabels absichern. Aber was ist die Zukunft von Quanten-Levitation und Quanten-Arretierung? Lassen Sie mich die Frage mit einem Beispiel beantworten. Stellen Sie sich vor, Sie hätten eine Scheibe, ähnlich der in meiner Hand, mit 7,5 cm Durchmesser, aber einem entscheidenden Unterschied. Die supraleitende Scheibe ist, anstatt einem halben Mikrometer, zwei Millimeter dick, recht dick also. Diese zwei Millimeter dicke, supraleitende Scheibe könnte 1.000 Kilogramm halten, ein kleines Auto, in meiner Hand. Erstaunlich. Vielen Dank.

(Applaus)