Um zu verstehen, wie ein Supraleiter funktioniert, kann es hilfreich sein, zuerst zu untersuchen, wie ein normaler Leiter funktioniert. Bestimmte Materialien wie Wasser und Metall lassen Elektronen ziemlich leicht durch sie fließen, wie Wasser durch einen Gartenschlauch. Andere Materialien wie Holz und Kunststoff lassen keine Elektronen durch und gelten daher als nichtleitend. Der Versuch, Strom durch sie zu leiten, wäre wie der Versuch, Wasser durch einen Ziegelstein zu leiten.
Selbst bei den als leitfähig geltenden Materialien kann es große Unterschiede geben, wie viel Strom tatsächlich durchgelassen wird. Elektrisch bezeichnet man dies als Widerstand. Fast alle normalen Stromleiter haben einen gewissen Widerstand, weil sie eigene Atome haben, die die Elektronen blockieren oder absorbieren, wenn sie durch den Draht, das Wasser oder ein anderes Material gehen. Ein kleiner Widerstand kann nützlich sein, um den Stromfluss unter Kontrolle zu halten, aber er kann auch ineffizient und verschwenderisch sein.
Ein Supraleiter stellt die Idee des Widerstands auf den Kopf. Ein Supraleiter besteht in der Regel aus Kunststoffen oder Metallen wie Blei oder Niob-Titan, die bereits eine geringe Atomzahl aufweisen. Wenn diese Materialien auf fast den absoluten Nullpunkt gefroren sind, werden die Atome, die sie haben, fast zum Stillstand gebracht. Ohne all diese atomare Aktivität kann Elektrizität praktisch ohne Widerstand durch das Material fließen. In der Praxis würde ein mit einem Supraleiter ausgestatteter Computerprozessor oder eine elektrische Bahnstrecke sehr wenig Strom verbrauchen, um seine Funktionen zu erfüllen.
Das offensichtlichste Problem bei einem Supraleiter ist die Temperatur. Es gibt wenige praktische Möglichkeiten, große Mengen an supraleitendem Material bis zum erforderlichen Übergangspunkt zu unterkühlen. Sobald sich ein Supraleiter erwärmt, wird die ursprüngliche Atomenergie wiederhergestellt und das Material erzeugt wieder Widerstand. Der Trick zur Herstellung eines praktischen Supraleiters besteht darin, ein Material zu finden, das bei Raumtemperatur supraleitend wird. Bisher haben Forscher kein Metall oder Verbundmaterial entdeckt, das bei hohen Temperaturen seinen gesamten elektrischen Widerstand verliert.
Um dieses Problem zu veranschaulichen, stellen Sie sich einen normalen Kupferdraht als Wasserfluss vor. Eine Gruppe von Elektronen versucht in einem Boot, ihr Ziel flussaufwärts zu erreichen. Die Kraft des flussabwärts fließenden Wassers erzeugt Widerstand, wodurch das Boot noch härter arbeiten muss, um den gesamten Fluss zu durchqueren. Als das Boot sein Ziel erreicht, sind viele der Elektronenpassagiere zu schwach, um weiterzufahren. Dies ist bei einem normalen Leiter der Fall – der natürliche Widerstand führt zu einem Leistungsverlust.
Stellen Sie sich nun vor, der Fluss wäre vollständig zugefroren und die Elektronen wären in einem Schlitten. Da kein Wasser stromabwärts fließen würde, würde es keinen Widerstand geben. Der Schlitten würde einfach über das Eis fahren und fast alle Elektronenpassagiere sicher flussaufwärts absetzen. Die Elektronen veränderten sich nicht, aber der Fluss wurde durch die Temperatur verändert, um keinen Widerstand zu leisten. Einen Weg zu finden, den Fluss bei normaler Temperatur einzufrieren, ist das ultimative Ziel der Supraleiterforschung.