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Astronomie+Physik

Supraleitung bei Raumtemperatur

Supraleiter-Labor
In diesem Versuchsaufbau erzeugten die Forscher ihren Supraleiter. (Bild: Adam Fenster)

Supraleiter leiten Strom ohne Widerstand und könnten daher Elektronik und Stromnetze revolutionieren. Bisher jedoch funktionierte der verlustfreie Elektronenfluss nur bei tiefgekühlten Materialien. Jetzt ist es Forschern erstmals gelungen, ein Material bei Raumtemperatur supraleitend zu machen. Die Verbindung aus Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff wird bei 15 Grad Celsius zum Supraleiter – allerdings nur unter dem extremen Druck von 267 Gigapascal. Dies ist mehr als das Doppelte des Drucks, der am tiefsten Punkt des Marianengrabens herrscht. Die Wissenschaftler hoffen jedoch, ihr Material so optimieren zu können, dass es schon bei weniger Druck zum Supraleiter wird.

Die 1911 entdeckte Supraleitfähigkeit verleiht Materialien zwei entscheidende Eigenschaften: Zum einen verschwindet ihr elektrischer Widerstand, sodass sie Elektronen in diesem Zustand ohne Verlust leiten. Zum anderen stoßen sie Magnetfelder ab, wodurch Magnetfeldlinien um das Material herum abgelenkt werden. Dadurch kann man Supraleiter auf einem Magnetfeld schweben lassen – und das wiederum ermöglicht Anwendungen wie Magnetschwebebahnen. Aber auch in Teilchenbeschleunigern, in der Magnetresonanztomographie oder in Quantencomputern werden Supraleiter heute eingesetzt. Bisher allerdings verlieren diese Supraleiter erst bei ultrakalten Temperaturen ihren elektrischen Widerstand, sie müssen daher aufwändig gekühlt werden – beispielsweise mit flüssigem Stickstoff oder Helium. „Die Kosten, um diese Materialien so kalt zu halten, sind so hoch, dass man ihr volles Potenzial bislang nicht ausschöpfen kann“, erklärt Seniorautor Ranga Dias von der University of Rochester in New York.

Wasserstoff als entscheidender Akteur

Deshalb suchen Wissenschaftler schon seit Jahrzehnten nach Materialien, die schon bei geringer Kühlung oder sogar bei Raumtemperatur zum Supraleiter werden. Erste Erfolge erzielten sie mit Hochtemperatur-Supraleitern wie Cupraten, Kupferverbindungen, die schon ab etwa minus 100 Grad supraleitend werden. 2015 dann gelang einer Forschergruppe mit einer ganz neuen Art von Supraleiter ein wichtiger Durchbruch: Unter hohem Druck brachten sie Schwefelwasserstoff (H2S) dazu, schon bei minus 70 Grad in die verlustfreie Stromleitung überzugehen. Die Wissenschaftler führen dies vor allem auf die Eigenschaften des Wasserstoffs zurück: „Um einen Hochtemperatur-Supraleiter zu erzeugen, benötigt man starke Bindungen und leichte Elemente – Wasserstoff ist das leichteste Atom und die Wasserstoffbindung eine der stärksten“, erklärt Dias.

Ausgehend davon haben seither auch andere Teams Verbindungen aus Metallen und Wasserstoff zur Supraleitung gebracht und die Übergangstemperatur Stück für Stück immer weiter angehoben. Den bisherigen Rekord stellte im Jahr 2019 ein Team um Mikhael Eremets vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz mit einem Lanthanhydrid auf. Dieses Material wurde unter Hochdruck schon bei minus 23 Grad supraleitend.

Supraleitung bei knapp 15 Grad

Doch erst jetzt ist der entscheidende Durchbruch zum Supraleiter bei Raumtemperatur gelungen. Dafür gingen Dias, Erstautor Elliot Snider und ihre Kollegen von Schwefelwasserstoff als Ausgangsmaterial aus und fügten diesem zusätzlichen Wasserstoff sowie Methan (CH4) zu. Unter einem zunächst vergleichsweise gemäßigten Druck von rund vier Gigapascal reagieren diese Komponenten miteinander und es bildet sich eine kristalline Verbindung, in deren Gitter Methan einige der Schwefelwasserstoffmoleküle ersetzt. Außerdem entstehen mit Wasserstoff gefüllte Einschlüsse im Kristall. Setzt man nun diese kohlenstoffhaltige Schwefel-Wasserstoff-Verbindung weiter unter Druck, wechselt sie bei etwa 267 Gigapascal und einer Temperatur von 14,55 Grad in den supraleitenden Zustand. „Diesen Übergang zur Supraleitung belegte ein scharfer Abfall des elektrischen Widerstands, der innerhalb von weniger als einem Grad auf Null fiel“, berichten Elliot und seine Kollegen.

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Dies ist das erste Mal, dass ein Material bei einer Temperatur über Null Grad zur Supraleitung gebracht wurde – ein wichtiger Durchbruch, wie die Forscher betonen: „Wegen der Notwendigkeit einer Kühlung konnten Supraleiter-Materialien die Welt bisher nicht in dem Maße transformieren, wie es sich viele vorgestellt haben“, sagt Dias. „Aber unsere Entdeckung reißt nun diese Barrieren ein und öffnet die Tür zu vielen neuen potenziellen Anwendungen.“ Das Fachmagazin „Nature“ berichtet über ihren Durchbruch als Titelgeschichte. Doch auch wenn die Supraleitung bei Raumtemperatur nun Realität geworden ist, bleibt bis zu einer praktischen Anwendung noch einiges zu tun, wie auch Dias und sein Team einräumen. Denn noch benötigt man eine Diamantstempelzelle und enormen Druck, um eine winzige Menge dieses Supraleiters herzustellen. Doch die Wissenschaftler sind zuversichtlich, dass sie durch weitere Optimierung unter anderem der Anteile der drei Elemente den für den Übergang zur Supraleitung nötigen Druck deutlich verringern können. „Ein chemisches Tuning unseres Dreiersystems könnte die Eigenschaften der Raumtemperatur-Supraleitung bei geringerem Druck erhalten“, so Dias und sein Team.

Quelle: Elliot Snider (University of Rochester, New York) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-020-2801-z

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