Wässriger Supraleiter
Forscher: Zugabe von Wassermolekülen macht Keramik supraleitend
Japanische Wissenschaftler haben ein Stück Keramik durch die Zugabe von Wasser in einen Supraleiter verwandelt. Wie die Forscher vom Nationalinstitut für Materialwissenschaften in Tsukuba in der aktuellen Ausgabe des Fachblattes Nature berichten, verliert Kobaltoxid bei Temperaturen unterhalb von fünf Grad über dem absoluten Nullpunkt jeglichen elektrischen Widerstand, wenn es mit Schichten aus Wassermolekülen durchsetzt wird. Diese Entdeckung könnte die maßgeschneiderte Herstellung von Supraleitern ermöglichen.
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Ausgangspunkt des Experiments von Kazunori Takada und seinen Kollegen war ein mit Natrium-Ionen angereichertes Stück Kobaltoxid. Der atomare Aufbau dieser Probe glich dabei einer Stapelanordnung, in der sich Ebenen aus Kobaltoxid mit solchen aus Natrium abwechselten. Die Forscher brachten durch einen chemischen Oxidationsprozess Wassermoleküle zu beiden Seiten der Natriumschichten an, so dass übereinanderliegende Kobaltoxidschichten durch Wasserfilme voneinander abgetrennt waren. Der atomare Aufbau konnte dabei mittels der Reflexion von Röntgenstrahlen untersucht werden.
Die Wissenschaftler begannen dann damit, die elektrischen Eigenschaften des neuartigen Stoffes zu untersuchen. In einem ersten Schritt kühlten sie die Substanz in einem Magnetfeld ab. Dabei stellte sich heraus, dass sie ihre magnetischen Eigenschaften bei einer Temperatur von etwa fünf Grad über dem absoluten Nullpunkt abrupt änderte.
Während das Kobalt-Wasser-Oxid oberhalb von fünf Grad Kelvin praktisch nicht magnetisch war, verwandelte es sich unterhalb dieser Temperatur in einen starken Diamagneten – der Stoff bildete nun selbst ein Magnetfeld aus, das dem äußeren Feld entgegengesetzt war und dieses so aus seinem Innern zu verdrängen suchte. Ein derartiges Verhalten ist ein starkes Indiz für das Auftreten von Supraleitung.
Die Forscher gingen nach dieser Entdeckung daran, die elektrische Leitfähigkeit von Kobalt-Wasser-Oxid direkt mittels einer Widerstandsmessung zu bestimmen. Aufgrund von Schwierigkeiten bei der Herstellung einer für derartige Messungen geeigneten Probe gelangen diese Experimente allerdings nur zum Teil. Dennoch konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass der elektrische Widerstand von Kobalt-Wasser-Oxid unterhalb von etwa vier Grad Kelvin stark abfällt. Weitere Experimente sollen die Supraleitung schon bald direkt bestätigen.
Kobalt gehört zusammen mit Kupfer zu einer als Übergangsmetalle bezeichneten Gruppe von Elementen. Obwohl schon seit Ende der achtziger Jahre des 20. Jahrhunderts bekannt ist, dass bestimmte Kupferoxid-Verbindungen selbst bei Temperaturen von über 100 Grad Kelvin supraleitend sind, war die Suche nach Supraleitern aus anderen Übergangsmetallen bisher erfolglos. Die Arbeit der japanischen Forscher stellt daher einen wichtigen Beitrag zu diesem Forschungsgebiet dar.
Stefan Maier
