Leon N. Cooper zum Neunzigsten

Elektronen im Duett

Von Manfred Lindinger
28.02.2020
, 09:39
Kaum 25 Jahre alt, hatte Leon N. Cooper den genialen Einfall, wie die klassische Supraleitung funktioniert. Dafür erhielt er mit zwei Kollegen 1972 den Physik-Nobelpreis. Heute wird der vielseitig interessierte Physiker neunzig Jahre alt.

Bei extrem tiefen Temperaturen treten physikalische Effekte zutage, die man bei Raumtemperatur nicht beobachtet. So verlieren die meisten Metalle plötzlich den elektrische Widerstand, wenn man sie bis Nahe an den absoluten -Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) kühlt. Sie werden supraleitend. Elektrische Ströme können dann unbegrenzt lange und verlustfrei fließen, ohne dass eine äußere Spannung notwendig ist. Weil sich damit auch starke Magnetfelder erzeugen lassen, nutzt man supraleitende Spulen seit langem für den Bau leistungsfähiger Magnete etwa für Magnetresonanz-Tomographen.

Auf die Supraleitung war 1911 der holländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes gestoßen, als er in seinem Labor Quecksilber auf minus 269 Grad abkühlte. Bald darauf wurde dieses seltsame Verhalten bei immer mehr Metallen beobachtet, ohne jedoch die physikalische Ursache zu verstehen. Zwar glaubte man, dass der verlustlose Stromtransport ein Effekt der gerade aufkommenden Quantenphysik sei, aber selbst Werner Heisenberg und andere namhafte Physiker scheiterten bei dem Versuch, die Supraleitung in Metallen zu verstehen. Es sollte fast fünf Jahrzehnte dauern, bis Leon N. Cooper gemeinsam mit seinen Kollegen John Schrieffer und John Bardeen, der sich als Mitentdecker des Transistors bereits einen Namen gemacht hatte, an der University of Illinois das Rätsel löste.

Die drei Forscher fügten alle Befunde, die aus Experimenten und Berechnungen vorlagen, zu einem schlüssigen Bild zusammen und interpretierten die Supraleitung als Folge eines kollektiven Quantenzustands, der sich bei extremer Kälte im Kristallgitter eines Metalls ausbildet. Der frisch promovierte Cooper – mit 25 Jahren der Jüngste des Dreiergespanns – hatte die geniale Idee, den verlustlosen Stromtransport auf Leitungselektronen zurückzuführen, die, anstatt sich elektrostatisch abzustoßen, paarweise im Kollektiv durch das Kristallgitter wandern, ohne mit den Atomen zu stoßen.

Elektronen beim reibungslosen Paartanz

Die Elektronenpaare, die zu Ehren des in New York geborenen Theoretikers auch Cooper-Paare genannt werden, bilden sich auf eine komplizierte Weise. Ein Elektron, das sich innerhalb des Kristalls bewegt, verändert die natürlichen Schwingungen des Kristallgitters. Dadurch wird ein zweites Elektron angezogen, das sich mit dem ersten verbindet. Die Cooper-Paare bilden ein System niedrigster Energie. und sind deshalb stabil. Für die Formulierung der sogenannten BCS-Theorie, die schon bald nach ihrer Formulierung den Einzug in die Lehrbücher fand und wertvolle experimentelle Voraussagen erlaubte, wurden Cooper, Bardeen und Schrieffer 1972 mit dem Physik-Nobelpreis geehrt.

Doch dem vielseitig interessierten Cooper, der 1954 an der Columbia University promoviert wurde, war die Supraleitung schon bald zu technisch geworden. Und so wandte er sich schnell anderen Gebieten zu. So entdeckte er die Biologie wieder, für die er sich bereits in seinen Jugendjahren brennend interessiert hatte. In den siebziger Jahren schließlich widmete er sich an der Brown University in Providence (Rhode Island) verstärkt den Neurowissenschaften und entwickelte ein Modell des zentralen Nervensystems. Cooper verglich die Neuronen mit einem Vielteilchensystem, wie man es in der Festkörperphysik nutzt. Wie arbeitet das Gedächtnis und wie lernt das Gehirn, sind zentrale Forschungsfragen, denen der betagte Physiker noch immer nachgeht, an seinem Institut in Providence oder seiner Firma für Neuro-Computer.

Die BCS-Theorie ist aber ohne Zweifel Leon N. Coopers größter Wurf geblieben. Der Namenspatron des hochbegabten fiktiven Physikers Sheldon Cooper aus der Fernsehserie „The Big Bang Theory“, wird heute neunzig Jahre alt.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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