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News: Komprimierter Schwefel als Supraleiter

Supraleiter sind Materialien, die dem elektrischen Strom keinen Widerstand entgegensetzen. Für reinen Schwefel war aufgrund theoretischer Modelle vorhergesagt worden, daß bei einem Druck von über 550 GPa der Übergang zum Supraleiter stattfinden sollte. Jetzt haben Wissenschaftler aber beobachtet, daß Schwefel schon bei 93 GPa supraleitend wird. Damit sind die alten Vorstellungen widerlegt, und ein experimentelles System für neue Modelle steht zur Verfügung.
Eine Gruppe Wissenschaftler der Carnegie Institution und der Russischen Akademie der Wissenschaften berichtet in Nature (Ausgabe vom 27. November) über die überraschende Beobachtung, daß Schwefel bei 93 GPa (0,93 Millionen Atmosphären) zu einem Supraleiter wird. Bei diesem Druck lag die Sprungtemperatur (Tc) bei 10 K oder -263oC. Mit steigendem Druck erhöhte sich die Temperatur für Supraleitung, sie stieg um 0,06 K pro GPa (bis auf 14K). Bei einem Druck von 160 GPa (dem höchsten gemessenen Druck in den vorliegenden Experimenten), stieg die Tc wieder, diesmal auf 17 K. In einer ähnlichen Studie, die in Physical Review Letters vom 24. November 1997 erschien, berichten dieselben Autoren über Messungen an Niob mit bis zu 132 GPa Druck.

Ein Material wird zum Supraleiter, wenn es seinen elektrischen Widerstand verliert. Das Phänomen ist schon seit dem Jahre 1911 bekannt. Es gehört zu den Boebachtungen, die am meisten der physikalischen Intuition widersprechen. Innerhalb des letzten Jahrzehnts hat man supraleitende Materialien bei Temperaturen entdeckt, die hoch genug waren, um Anwendungen insbesondere in den Bereichen Computer und Elektroenergie zu ermöglichen. Die meisten Studien konzentrierten sich auf Oxidkeramiken.

Die Mechanismen der Supraleitfähigkeit in Materialien sind von großem theoretischen Interesse; in vielen Fällen sind sie jedoch umstritten. Untersuchungen einfacher Substanzen, wie der reinen Elemente, die supraleitfähig sein könnten, einschließlich einer Überprüfung der Auswirkungen von Druck auf die Tc, sind unentbehrlich für ein Verständnis der zugrundeliegenden Physik. Solche Studien sind entscheidend für die Entwicklung neuer, technologisch brauchbarer Supraleiter.

Die Autoren beider Veröffentlichungen sind Viktor Struzhkin, Russell Hemley und Ho-kwang Mao vom Carnegie Geophysical Laboratory und NSF Center for High Pressure Research und Yuri Timofeev vom Institute of High-Pressure Physics der Russischen Akademie der Wissenschaften. Die Gruppe benutzte die Megabar-Hochdruck-Diamantstempelzelle in Verbindung mit einer magnetischen Suszeptibilitätstechnik, die sie im Verlaufe der letzten Jahre perfektioniert haben. Die Technik ermöglichte es ihnen, die supraleitende Umwandlungstemperatur festzustellen, ohne elektrische Bleistege auf der Probe plazieren zu müssen. So konnten sie ihre Messungen an sehr kleinen Proben durchführen (bis zu 0,04 mm im Durchmesser bei einer Dicke von ein paar Tausendstel Millimetern). Tests der Methode im Megabar-Druckbereich (über 100 GPa) wurden an Niob durchgeführt, das bei atmosphärischem Druck eine Sprungtemperatur von 9.5 K aufweist. Diese fiel aber bei 132 GPa auf 4,5 K (anstatt anzusteigen).

Die Umwandlung von Schwefel von einem Nichtleiter zu einem Supraleiter bei 93 GPa war unerwartet. Vor einigen Jahren hatten Wissenschaftler Veränderungen in den optischen Eigenschaften von Schwefel beobachtet, die darauf hindeuteten, daß sich das Material bei ungefähr 90 GPa (bei Zimmertemperatur) in ein Metall umwandelt, mit einer entsprechenden Veränderung in der Kristallstruktur, und daß es bei ungefähr 160 GPa seine Struktur ändert. Neueste theoretische Berechnungen hatten vorhergesagt, daß Schwefel erst ab einem viel höheren Druck (über 550 GPa) zum Supraleiter werden würde. Die neuen Ergebnisse zeigen, daß sich das Material beim ersten Übergang (bei 90 GPa) direkt von einem Nichtleiter zu einem Supraleiter wandelt. Die Resultate liefern ein wichtiges Beispiel für weitreichende Veränderungen der physikalischen Eigenschaften durch Druck.

Nach Angabe der Autoren sind ihre Ergebnisse deshalb besonders bemerkenswert, weil die metallischen Phasen von Schwefel die höchsten Sprungtemperaturen aller bis heute gemessenen elementaren Festkörper aufweisen. Schwefel als Supraleiter befindet sich nun in Gesellschaft der schwereren Elemente in der fünften Hauptgruppe des Periodensystems. Diese Tatsache sollte nun eine kritische Überprüfung der Theorien zur Supraleitung ermöglichen. Am Ende ihres Artikels schreiben die Autoren: „Ausgehend von der relativen Einfachheit, mit der die elektronische Struktur von elementaren Schwefel berechnet werden kann, und dem Wissen über die Struktur der Hochdruck-Kristalle, sollte dieses Element für wichtige Tests zu neuen möglichen Mechanismen geeignet sein.”

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