Einer der großen Träume der Materialwissenschaftler ist es, Supraleitung bei Raumtemperatur zu ermöglichen. Doch diesen Zustand ohne merklichen elektrischen Widerstand ungekühlt zu erreichen, scheint noch weit entfernt. Der derzeitig anerkannte Höchstwert für Supraleitung liegt bei etwa -109 Grad Celsius. Aber dieser Rekord scheint nun spektakulär gebrochen. Mikhail Eremets und zwei seiner Kollegen vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz haben Supraleitung bei -83 Grad Celsius beobachtet. Das verkünden sie in einem Manuskript von Anfang Dezember, das auf dem Pre-Print-Server arXiv.org zu finden ist.

Besonders spannend an den Ergebnissen ist, dass Eremets und Co. diesen vermeintlichen neuen Bestwert nicht an einem so genannten Hochtemperatur-Supraleiter gemessen haben, sondern an einem konventionellen. Hier hielt bislang Magnesiumdiborid den Rekord. Er lag bei -234 Grad Celsius. Mit dem Sprung um 151 Kelvin würde die alte Höchstmarke quasi pulverisiert.

Hochtemperatur-Supraleitung: Bewegte Atomrümpfe

Bislang galten Hochtemperatur-Supraleiter aus bestimmten Keramiken als vielversprechendste Kandidaten für Supraleitung bei Raumtemperatur. Während der physikalische Mechanismus hinter der erst Ende der 1980er Jahre entdeckten Hochtemperatur-Supraleitung noch nicht völlig verstanden ist, haben sich für die konventionelle Supraleitung in den letzten 50 Jahren theoretische Modelle durch Experimente untermauern lassen. Demnach beginnen bei tiefen Temperaturen die Atomrümpfe eines supraleitenden Metalls kollektiv zu schwingen. Diese Atomrümpfe sind in Metallen in einem Gitter angeordnet und positiv geladen. Sie werden von frei beweglichen, negativ geladenen Elektronen umgeben, die in Metallen als Strom fließen, wenn man eine äußere Spannung anlegt.

In konventionellen Supraleitern treten diese freien Elektronen bei einer kritischen Temperatur – der Sprungtemperatur – paarweise mit dem schwingenden Gitter aus Atomrümpfen in Wechselwirkung. Diese so genannten Cooper-Paare aus Elektronen können dann quasi widerstandsfrei durch den Supraleiter wandern.

Bereits 1968 hatte der theoretische Physiker Neil Ashcroft berechnet, dass Wasserstoff bei hohen Temperaturen und Drücken supraleitend werden sollte. Er argumentierte, Wasserstoff sei so leicht, dass sein Metallgitter auch bei hohen Temperaturen noch mit sehr hohen Frequenzen kollektiv schwingen würde. 2004 verkündete Ashcroft, dass Wasserstoffverbindungen ebenfalls bei hohen Temperaturen Supraleitung zeigen müssten, und das bereits bei Drücken, die mit den aktuell genutzten Diamantstempelzellen zu erreichen seien. In diesen Zellen lassen sich zwischen zwei nur wenige Millimeter großen Diamanten hydraulisch extrem hohe Drücke, wie sie etwa im Erdkern herrschen, auf die dazwischen befindlichen Proben ausüben.

Schwefelwasserstoff unter Druck

Um diese Hypothese zu überprüfen, verwendeten Eremets und Kollegen das farblose, giftige Gas Schwefelwasserstoff (chemische Formel H2S). Sie gossen flüssiges H2S in eine mit elektrischen Sensoren versehene Zelle. Dann erhöhten sie systematisch den Druck auf einen Wert im Bereich zwischen 100 und 200 Gigapascal und senkten anschließend jeweils für einen bestimmten Druckwert die Temperatur ab, ausgehend von -173 bis -123 Grad Celsius bis auf -269 Grad Celsius, der Temperatur von flüssigem Helium. Gleichzeitig beobachteten sie den elektrischen Widerstand der Probe. Unter einem Druck von 100 Gigapascal zeigte sich bei einer Temperatur von -250 Grad Celsius Supraleitung. Bei den Messreihen unter höheren Drücken stieg die Sprungtemperatur immer weiter an, bis auf -123 Grad Celsius bei 200,8 Gigapascal. Diese Messungen allein wären schon ein beeindruckendes Ergebnis, das Physikern reichlich Stoff zum Nachdenken und Träumen liefern würde.

Doch dann erhöhten Eremets und Co. die Ausgangstemperatur ihrer Experimente auf -53 bis +27 Grad Celsius. Als sie den Druck auf die Probe in der Zelle auf über 150 Gigapascal erhöhten und dann die Temperatur absenkten, stellten sie einen weiteren supraleitenden Zustand fest, der eine Sprungtemperatur von sagenhaften -83 Grad Celsius besaß. Das wäre ein neuer Rekord. Die Forscher versuchen dieses Phänomen mit einer Auflösung der H2S-Moleküle zu erklären. Diese Erklärung bedarf freilich einer weitergehenden theoretischen und experimentellen Überprüfung, wie sie einräumen.

Derweil sicherten sie ihre Experimente mit den üblichen Nachweisen von Supraleitung ab: Neben dem Einbruch des elektrischen Widerstands auf nahezu null setzten sie die Probe einerseits einem starken Magnetfeld aus und ersetzten andererseits den Wasserstoff durch Deuterium, um an Schwefeldeuterium den so genannten Isotopeneffekt steigender Sprungtemperaturen nachzuweisen. Einzig den Zusammenbruch der Supraleitung unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds konnten sie nicht vollständig nachweisen. Die Magnetfelder, die ihr Versuchsaufbau erzeugen konnte, waren zu schwach. Die Ergebnisse deuten aber in die richtige Richtung.

"Wenn sich die Resultate bestätigen, würde ich sie als fantastisch bezeichnen!"

Detailfragen sind allerdings ungeklärt – und bleiben es vorerst: Die Autoren um Eremets wollen sich zu dem Manuskript vorerst nicht äußern. Das Mainzer Max-Planck-Institut erklärte dazu zwar, das mediale Interesse sei verständlich, ergänzt aber: "Um andere Veröffentlichungsmöglichkeiten offenzuhalten, stehen Dr. Eremets und sein Team derzeit jedoch nicht für Auskünfte zur Verfügung. Wir danken für Ihr Verständnis." Dahinter könnte die Politik von Fachjournalen stecken: "Nature", "Science" und andere Magazine versuchen durch ihre Statuten den Kontakt von Forschern mit der Presse in Bezug auf unveröffentlichte Studien zu unterbinden.

Robert Cava, ein Festkörperchemiker der Princeton University, hat nicht an der Studie mitgewirkt und kann sich folglich frei äußern. Und der Experte für die Entwicklung und Charakterisierung neuer Supraleiter ist begeistert, als er von den Ergebnissen aus Mainz hört: "Wenn sich diese Resultate bestätigen, würde ich sie als fantastisch bezeichnen! Meine Glückwünsche an die Autoren, wenn wir hier das vor uns haben, nach was es aussieht."

Der kritische Wissenschaftler in Cava versucht dann aber seine Begeisterung etwas zu zügeln: "Natürlich verlangen solch erstaunlichen Resultate eine besonders strenge Prüfung. Leider sind die Bedingungen in diesem Hochdruckexperiment so extrem, dass sie sich nicht an vielen Orten auf der Welt erzeugen lassen. Aber ich wette, dass Forscher überall, wo es möglich ist, versuchen werden, die Ergebnisse nachzuprüfen und weiterzutreiben."

Auch René-Louis Flükiger, emeritierter Festkörperphysiker mit Schwerpunkt Supraleitung von der Universität Genf, glaubt, die Arbeit werde nachhaltig Wirkung erzielen: "Auf Grund der vorliegenden Resultate wird das Interesse zweifellos zunehmen. Dabei ist es durchaus möglich, noch höhere Sprungtemperaturen zu erhalten, bei deutlich niedrigeren Drücken."

Derweil gibt sich Bernhard Holzapfel vom Institut für Technische Physik des KIT weniger enthusiastisch als Cava und Flükiger: "Auf den ersten Blick sehe ich das Paper als sehr interessant an. Die Experimente scheinen stichhaltig zu sein, und von daher ist es physikalisch spannend. Auf der anderen Seite liegt doch eine sehr starke Prozessabhängigkeit der verschiedenen Ergebnissen vor, was eine Reproduzierbarkeit erschwert. Die Übertragung in real nutzbare Supraleiter ist sicher extrem herausfordernd, wenn nicht unmöglich", sagt Holzapfel. "Supraleitende Kabel bei Raumtemperatur sind damit nicht näher in Sichtweite gekommen."

Für Eremets und seine Kollegen spielt nicht in erster Linie eine direkte praktische Anwendung eine Rolle. Sie wollten vor allem zeigen, dass wasserstoffhaltige Materialien bei hohen Temperaturen zu konventionellen Supraleitern werden können. Das ist ihnen allem Anschein nach gelungen. "Schwefelwasserstoff ist eine Verbindung mit einem relativ geringen Wasserstoffgehalt", schreiben sie. "Deshalb kann man hohe Sprungtemperaturen in einer Vielzahl anderer wasserstoffhaltiger Materialien erwarten." Die fußballförmigen Fullerene, aromatische Kohlenwasserstoffe oder Graphane – dünne Schichten von Graphen – könnte man etwa durch Dotierung mit Fremdatomen statt durch hohe Drücke supraleitend machen, so ihre Hoffnung.