6.11 Supraleitung und Josephson-Effekt

Startseite ／ Kapitel 6: Quantenbereich

I. Phänomene und Fragen

Kühlen wir bestimmte Metalle oder Keramiken stark genug ab, fällt der Widerstand unter die Nachweisgrenze und ein Strom kann über Jahre ohne Abklingen zirkulieren. Ein angelegtes Magnetfeld wird aus dem Volumen verdrängt und dringt nur als quantisierte Flussröhren ein. Trennt man zwei Supraleiter durch eine ultradünne Isolationsschicht, fließt ein stabiler Strom sogar ohne Spannung; unter Hochfrequenz-Bestrahlung zeigt die Spannung diskrete Stufen.

Diese Kennzeichen – Widerstand null, perfekter Diamagnetismus (mit quantisiertem Fluss), Null-Bias-Suprastrom und HF-Stufen – führen zu naheliegenden Fragen: Warum verschwindet Reibung beim Abkühlen? Warum kann das Feld nur in festen Quanten eindringen? Wie fließt Strom durch einen Isolator – und warum „schneiden“ Mikrowellen ordentliche Spannungsplateaus heraus?

II. Deutung in der Energy-Filament-Theory (EFT): phasenverriegelte Elektronenpaare, kollektiv geschlossene Verlustkanäle, kohärente Staffelübergabe über die Barriere

1. Erst paaren, dann die Phase vernähen.
   In der EFT ist das Elektron ein stabiler Einzelschleifen-Wickel; seine Außenschicht koppelt an die Energie-See (Energy Sea) und das Gitter. Beim Abkühlen nimmt das Gitterzittern ab und öffnet in manchen Stoffen einen „Spannungskorridor“, in dem sich zwei Elektronen folgen und – mit entgegengesetzter Wickelrichtung – ein Elektronenpaar bilden. Das Paaren löscht viele Dissipationskanäle. Weiteres Abkühlen richtet die Außen-Phasen zahlreicher Paare aus, bis eine gemeinsame Phasen-Netzwerk-„Teppich“ die Probe überspannt.
2. Warum Widerstand null: Verluste kollektiv schließen.
   Normaler Widerstand entsteht durch viele winzige Energie-Leckpfade – Impuritäten, Phononen, Rauheiten. Ist der Phasenteppich gelegt, keimen lokale Falten, die Kohärenz brechen, nur schwer; die Verlustschwelle steigt sprunghaft. Solange die Anregung den Teppich nicht zerreißt, strahlt der Strom keine Energie ab: wir messen Widerstand null.
3. Warum Meissner-Austreibung und Flussquantisierung: Phase wehrt Verdrehen ab.
   Eine glatte Phasenlandschaft darf nicht beliebig vom Feld verdreht werden. Oberflächen-Abschirmströme drücken das Feld hinaus (Meissner). In manchen Materialien darf es in dünnen Röhren eindringen; jede erzwingt eine ganzzahlige Phasen-Umwindung – Flussquantisierung. Man kann jede Röhre als hohlen Spannungskern sehen, den die Phase umkreist; die Kerne stoßen sich ab und ordnen sich gitterartig.
4. Warum Josephson-Strom: kohärente Staffel in einer nahezu kritischen Spalte.
   Zwei Phasenteppiche, getrennt durch einen ultradünnen Isolator, bilden eine schmale Spalte nahe der Schwelle. Über diese Spalte staffeln die Phasen kohärent – nicht einzelne Teilchen „drücken“ hindurch, sondern ein kurze Phasenbrücke wird genäht.
   • Schlagen beide Seiten im gleichen Takt, überträgt die Brücke die Phase stetig: ein Gleichstrom-Suprastrom fließt ohne Spannung (dc-Josephson).
   • Bei Taktunterschied – durch DC-Spannung oder HF-Antrieb – läuft die Phasendifferenz gleichmäßig weiter oder verriegelt sich mit der Anregung; die Brücke pumpt Suprastrom in festem Rhythmus: AC-Antwort und Spannungsstufen unter Mikrowellen.
5. Warum nicht überall ideal: Defekte und Risse öffnen Verluste wieder.
   Zu großer Strom, starkes Feld, höhere Temperatur oder Vortex-Pinning zerren am Teppich, reißen Löcher und lassen Energie entweichen: kritischer Strom, Verlustspitzen, Nichtlinearitäten.

III. Typische Szenarien

• Zwei Supraleiter-Familien.
  Die einen stoßen nahezu das gesamte Feld ab und brechen jenseits einer Schwelle abrupt ein; die anderen lassen Flussröhren zu, bilden bei hohem Feld Vortex-Gitter und tragen weiter Strom. Das spiegelt unterschiedliche Toleranzen der Phasenlandschaft gegenüber magnetischer Verwindung.
• Supraleitende Ringe und persistente Ströme.
  Auf einer geschlossenen Schleife muss die Phase ganzzahlig umlaufen; ohne Riss bleibt der Strom bestehen. Stellt man den Fluss nicht ganzzahlig ein, springt das System auf den nächsten ganzzahligen Zustand – diskret und stabil.
• Tunnelkontakte und schwache Kopplungen.
  In einer ultradünnen Spalte fließt Suprastrom bei Null-Bias; unter Mikrowellen verriegelt sich die Spannung in regelmäßigen Stufen – Signatur externer Phasen-Synchronisation.
• Parallele Schleifen: Interferometer.
  Zwei Phasenbrücken zu einem Ring sammeln unterschiedliche Phasenlagen aus dem äußeren Fluss; der Suprastrom oszilliert periodisch mit dem Fluss – Grundlage hochempfindlicher Magnetometrie.

IV. Beobachtbare Fingerabdrücke

• Sprunghafter Übergang zu Widerstand null bei einer kritischen Temperatur.
• Perfekter Diamagnetismus oder gitterartige Arrays aus Flussröhren.
• Null-Bias-Suprastrom und definierter kritischer Strom.
• Spannungsstufen unter HF-Antrieb (Phasenverriegelung).
• Interferenz-Periodizität in Ringen.
• Vortex-Pinning und -Slip: Defekte senken Verluste und erhöhen den kritischen Strom; gleitende Vortizes erzeugen Verlustspitzen.

V. Abgleich mit der Mainstream-Beschreibung

• Konventionell beschreibt man das Paar-Kondensat über einen makroskopischen Ordnungsparameter (komplexe Amplitude mit Phase). Widerstand null stammt aus verlustfreiem Phasenfluss; Diamagnetismus daraus, dass die Phase Verwindung abwehrt; Flussquantisierung und Vortizes aus ganzzahligen Umläufen.
• Die EFT liefert eine greifbare Geometrie dazu: Elektronenpaar = gepaarte Wicklungen; Phasenteppich = gemeinsames Phasennetz über der Probe; Widerstand null = kollektiv geschlossene Verlustkanäle; Flussquantisierung = topologische Defekte mit hohlem Kern; Josephson-Effekt = kurze Phasenbrücke über eine quasi-kritische Spalte. Phänomene und quantitative Relationen stimmen überein; die EFT erzählt sie als „Fäden und See“.

VI. Zusammenfassend

Supraleitung bedeutet nicht, dass Elektronen „plötzlich perfekt“ werden. Zuerst paaren sie sich, danach verriegeln unzählige Paare ihre Phase zu einem Teppich:

• Bei sanfter Anregung schließt der Teppich die Dissipationskanäle → Widerstand null.
• Er wehrt willkürliche Verwindung ab → Feld wird ausgestoßen oder nur als quantisierte Vortizes zugelassen.
• Zwischen zwei Teppichen erlaubt eine quasi-kritische Spalte, eine Phasenbrücke zu nähen → Suprastrom bei Null-Bias; unter Mikrowellen verriegelt sich die Spannung stufig.

Merksatz: paaren, Phase verriegeln, über die Lücke staffeln – darin liegt die „Magie“ der Supraleitung und des Josephson-Effekts.