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.
