07.10.2003 · Der Nobelpreis für Physik geht in diesem Jahr an den Amerikaner Alexej Abrikosow, den Russen Witalij L. Ginzburg und den Briten Anthony J. Leggett für ihre Leistungen auf dem Gebiet der Supraleitung und Suprafluidität.
Von Manfred Lindinger
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Physik-Nobelpreis für Witaly Ginzburg
Quantenphänomene entziehen sich normalerweise der Alltagswelt und lassen sich oft nur an einzelnen Atomen oder Molekülen studieren. In gewissen Situationen aber können auch makroskopische Objekte ein Verhalten zeigen, das nur mit der Quantentheorie zu verstehen ist. So sind die meisten Metalle und Legierungen nahe am absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad supraleitend und transportieren Strom ohne jeglichen Widerstand. Auch flüssiges Helium zeigt bei extrem tiefen Temperaturen ein sonderbares Verhalten - die Suprafluidität. Dann fließt es reibungsfrei über eine Oberfläche oder kriecht scheinbar schwerelos die Wände eines Gefäßes hoch. Daß man diese Phänomene inzwischen recht gut versteht und praktisch zu nutzen weiß, ist nicht zuletzt Alexej A. Abrikosow, Witalij L. Ginzburg und Anthony J. Leggett zu verdanken. Die drei Theoretiker erhalten für ihre bahnbrechenden Leistungen auf dem Gebiet der Supraleitung und Suprafluidität den diesjährigen Nobelpreis für Physik.
Phänomen blieb lange rätselhaft
Das Phänomen der Supraleitung ist schon seit 1911 bekannt, als der holländische Physiker Heike Kammerlingh-Onnes herausfand, daß Quecksilber seinen elektrischen Widerstand vollkommen verliert, wenn man es bis auf minus 269 Grad kühlt. Danach dauerte es aber noch fast ein halbes Jahrhundert, bis die späteren Nobelpreisträger John Bardeen, Leon N. Cooper und John R. Schrieffer die sogenannte BCS-Theorie formulierten. Mit ihr ließ sich der Mechanismus der Supraleitung der meisten Metalle nahe dem absoluten Nullpunkt verstehen. Danach ist der verlustfreie Stromfluß auf eine Paarung von Elektronen zurückzuführen, die ihre gegenseitige elektrostatische Abstoßung überwunden haben und reibungsfrei durch das Kristallgitter wandern.
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Anthony Legget forschte zu Suprafluidität
Bringt man diese als Supraleiter vom Typ I bekannten Materialien in ein schwaches Magnetfeld, verdrängen sie dieses vollständig aus ihrem Inneren. Wird das Feld allerdings zu stark, bricht die Supraleitung völlig zusammen. 1937 entdeckte man jedoch Legierungen, in die ein Magnetfeld eindrang, ohne daß die Supraleitung verlorenging. Erst über einer kritischen Feldstärke wurde das supraleitende Verhalten zerstört. Die als Typ II bezeichneten Supraleiter - hauptsächlich Legierungen - blieben lange rätselhaft, da man ihr Verhalten nicht mit der BCS-Theorie beschreiben konnte.
Legget untersuchte Suprafluidität
Das änderte sich erst in den späten fünfziger Jahren, als Alexej Abrikosow seine Theorie veröffentlichte. Dabei stützte er sich auf eine Arbeit, die Witalij Ginzburg und Lev Landau (Nobelpreis 1962) einige Jahre zuvor für Supraleiter vom Typ I ausgearbeitet hatten. Beide Forscher konnten mit einem zusätzlichen Parameter das Verhalten der Supraleiter in der Nähe des kritischen Magnetfelds beschreiben. Dabei erkannten sie, daß es eine zweite Klasse von Supraleitern mit anderen magnetischen Eigenschaften geben muß, die einen viel höheren Ordnungsparameter besitzen. Das griff Abrikosow auf und zeigte mathematisch, wie ein Magnetfeld in ein Material eindringen kann, ohne die Supraleitung zu zerstören. Das war ein Durchbruch. Noch heute verwendet man Abrikosows Theorie bei der Entwicklung neuer supraleitender Magnete, die extrem starke Felder erzeugen können. Davon profitiert man beispielsweise bei der Kernspintomographie (siehe F.A.Z. vom 7.Oktober).
Der dritte Preisträger, Anthony J. Leggett, beschäftigte sich viele Jahre mit der Suprafluidität von flüssigem Helium, das in zwei Isotopen vorkommt. Während dieses Phänomen schon 1938 bei Helium-4 bei zwei Kelvin beobachtet wurde, gelang das bei Helium-3 erst rund vierzig Jahre später. Es war eine Temperatur von zwei tausendstel Grad über dem Nullpunkt erforderlich, damit auch das leichte Heliumisotop seine Viskosität verlor. Den Mechanismus konnte wenig später schließlich Leggett erklären. Er erkannte, daß die Helium-3-Atome wegen ihrer speziellen Eigenschaften Paare bilden müssen - ganz ähnlich wie die Elektronen in den metallischen Supraleitern vom Typ I.
Alexej A. Abrikosow ist 1928 in Moskau geboren worden. Er hat am Argonne National Laboratory in Argonne (Illinois) gearbeitet und besitzt die russische und amerikanische Staatsbürgerschaft.
Witalij L. Ginzburg ist 1916 in Moskau geboren worden. Er war Leiter der Theoriegruppe am P.-N.-Lebedew-Institut für Physik in Moskau.
Anthony J. Leggett ist 1938 in London geboren worden. Er lehrt an der University of Illinois in Urbana-Champaign und besitzt die britische und amerikanische Staatsbürgerschaft. Manfred Lindinger
