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Hochtemperatursupraleitung

Supraleitung bei "Zimmertemperatur"

Ein neues Material bricht den Temperaturrekord für Supraleiter - und gleichzeitig die Dominanz der kupferoxidbasierten Werkstoffe. Schwefelwasserstoff unter hohem Druck funktioniert wie die ersten bekannten Supraleiter überhaupt.

Es kommt natürlich darauf an, wo das Zimmer liegt: Auf einem 4000 Meter hohen Plateau nahe dem Zentrum des Ostantarktischen Eisschildes fallen die Temperaturen schon mal unter minus 90 Grad Celsius. Bei solchen Temperaturen wäre eine nun entdeckte Substanz bereits supraleitend, wie ihre Entdecker stolz vermelden – Schwefelwasserstoff unter etwa 1,7 Millionen Bar Druck wird zu einer Substanz, die bereits bei etwa 203 Kelvin Strom ohne Widerstand leitet – 40 Kelvin mehr als der bisher beste bekannte Hochtemperatursupraleiter. Damit bestätigen sie vorläufige Ergebnisse vom Dezember 2014, in denen sie bereits eine Sprungtemperatur von 190 Kelvin vermeldeten.

In gewisser Weise markiert der von einem Mainzer Forschungsteam entdeckte Hochtemperatursupraleiter eine Rückkehr zu den Ursprüngen: Nachdem über lange Zeit immer höhere Sprungtemperaturen nur mit keramischen Materialien wie Kupferoxiden möglich schienen, entspricht die Kreation der Arbeitsgruppe um Mikhail Emerets vom Max-Planck-Institut für Chemie den frühesten konventionellen Supraleitern. Die beiden Supraleitergruppen unterscheiden sich fundamental darin, wie sie die so genannten Cooper-Paare erzeugen, die für widerstandslose Stromleitung unerlässlich sind.

Gitterschwingungen gegen magnetische Wechselwirkung

Damit ein Stoff Strom ohne Widerstand leiten kann, müssen je zwei seiner Elektronen ein Cooper-Paar bilden – diese gekoppelten Teilchen haben einen ganzzahligen Spin und bilden deswegen bei niedrigen Temperaturen einen kollektiven Quantenzustand, das Bose-Einstein-Kondensat. In konventionellen Supraleitern ermöglichen Schwingungen der positiven Ionen des Kristallgitters, so genannte Phononen, den Elektronen, in den verpaarten Zustand überzugehen. Ausgehend von Quecksilber entdeckten Forscher zu Anfang des 20. Jahrhunderts eine Reihe solcher konventioneller Supraleiter mit Sprungtemperaturen bis zu etwa 20 Kelvin.

In viel höhere Temperaturbereiche stoßen dagegen die Hochtemperatursupraleiter vor, hauptsächlich Kupferoxide. Ihr Supraleitungsmechanismus allerdings ist unkonventionell: Bei ihnen reicht die einfache Phononen-Elektronen-Wechselwirkung als Erklärung nicht aus, stattdessen gehen Fachleute davon aus, dass magnetische Korrelationen zwischen den Elektronen die Paarung vorantreiben. Diese Stoffe erreichten bald weit höhere Sprungtemperaturen als zuvor. Der Rekord liegt bei 164 Kelvin, weit jenseits dessen, was mit konventionellen Supraleitern möglich war.

Trotz des großen Vorsprungs setzen einige Teams weiter auf konventionelle Supraleiter – aus zwei Gründen. Einerseits ist keineswegs klar, wie weit man unkonventionelle Supraleiter treiben kann. Klassische Supraleiter dagegen haben kein theoretisches Limit bei der Sprungtemperatur: Sie hängt von den Phononen und ihren Wechselwirkungen mit den Elektronen ab – es steht quasi eine Bauanleitung für Hochtemperatursupraleiter zur Verfügung.

Rekord mit Ansage

Andererseits ist ein mögliches Material für solche Stoffe bereits lange bekannt: Wasserstoffreiche kleine Moleküle passen gut in das Rezept. Dass solche Substanzen unter bestimmten Bedingungen alle Rekorde brechen würden, war nicht bloß eine generelle Prognose – bereits letztes Jahr hatte ein Computermodell ergeben, dass Schwefelwasserstoff unter Drücken von 200 Gigapascal eine Sprungtemperatur zwischen 190 und 200 Kelvin aufweisen sollte. Die Sache hatte bisher einen großen Haken: Solche Drücke waren in derartigen Experimenten bis vor wenigen Jahren experimentell nicht erreichbar.

Nun stehen die Methoden zur Verfügung, das Supraleiterrezept zu überprüfen, und der Schwefelwasserstoff in der Hochdruckzelle bestätigte die Vorhersagen. Allerdings wissen die Forscher derzeit noch nicht so ganz genau, was da in ihrem Experiment so gut leitete: Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei steigenden Drücken komplexe Umwandlungen stattfinden und sich die Moleküle zu elementarem Schwefel und dem unkonventionellen Molekül H3S zersetzen – Letzteres wäre dann die eigentliche supraleitende Phase.

Solche Fragen sind keineswegs rein akademisch. Die Experimente der Gruppe um Emerets deuten auf einige grundlegende Eigenschaften hin, die wasserstoffhaltige Moleküle allgemein haben müssen, um bei hohen Temperaturen supraleitend zu werden. Bei den Kupferoxidhochtemperatursupraleitern war die erste Entdeckung der Startschuss für eine rasche Abfolge immer besserer Keramiken mit immer höheren Sprungtemperaturen. Eine solche Entwicklung bei konventionellen Hochtemperatursupraleitern nach dem Modell des Schwefelwasserstoffs könnte die Sprungtemperatur – wenn auch nicht den nötigen Druck – zukünftiger Stoffe tatsächlich in alltagstaugliche Bereiche hieven.

33/2015

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 33/2015

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