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Der perfekte Leiter : Supraleiter durchbricht die Temperatur-Schallmauer

Diamantstempelzelle, in der die Forscher um Mikhail Eremets die hohen Drücke erzeugen. Zu sehen ist, wie ein Diamant in die Zelle eingelegt wird.
Diamantstempelzelle, in der die Forscher um Mikhail Eremets die hohen Drücke erzeugen. Zu sehen ist, wie ein Diamant in die Zelle eingelegt wird. : Bild: MPI für Chemie

Weil die Experimente mit Schwefelwasserstoff keine weiteren Fortschritte brachten, wandten sich die Mainzer Forscher einer anderen wasserstoffreichen Verbindung zu: Lanthanhydrid (LaH10). Und das mit Erfolg. Im vergangenen Jahr erzielten sie mit dem Übergangsmetall-Hydrid eine Rekord-Sprungtemperatur von -23 Grad.

Wärmster Supraleiter erfüllt alle Kriterien

Damit schienen noch höhere Sprungtemperaturen zum Greifen nah. Und tatsächlich konnten die amerikanischen Materialforscher um Dias den Temperatur-Rekord von Eremets und seinen Kollegen knacken. Bei ihren Experimenten füllten die Forscher ein Pulver aus Kohlenstoff und Schwefel in eine Hochdruckkammer – für derartige Experimente das übliche Instrument – und ließen Wasserstoffgas einströmen. Gleichzeitig strahlten sie einen grünen Laserstrahl ein. Dabei lösten sie eine chemische Reaktion aus, bei der sich Methan und Schwefelwasserstoff bildeten. Über zwei Diamantspitzen, die wie Ambosse wirkten, erhöhten sie in der Zelle schrittweise den Druck auf die Probe. Zunächst bildete sich ein flüssiges Gemisch, das sich allmählich verfestigte und unterhalb von 40.000 Bar einen Kristall formte. Dann pressten die Forscher die Diamanten weiter zusammen und erniedrigten allmählich die Temperatur. Zu ihrer Überraschung mussten sie den Gefrierpunkt nicht unterschreiten. Ihre Probe wurde bereits zuvor bei +15 Grad supraleitend, und zwar bei einem Druck von 2,7 Millionen Bar. Dass tatsächlich der supraleitende Phasenzustand vorlag, zeigten die Forscher um Dias anhand von zwei für Supraleiter typischen Kriterien: Der elektrische Widerstand fiel abrupt auf den Wert Null und ein von außen angelegtes Magnetfeld wurde aus der Probe, die etwa die Größe eines Tintentropfens hatte, herausgedrängt.

Dass das Methan-Schwefelwasserstoff-Gemisch schon bei +15 Grad supraleitend wird, führen Dias und seine Kollegen auf eine besondere kristalline Struktur zurück. Spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass Methan und Schwefelwasserstoff abwechselnd feste Gitterplätze im Kristall einnehmen. In den Zwischenräumen sind Wasserstoffatome eingelagert. Es sind aber auch andere Kristallstrukturen denkbar, so die Forscher.

Weitere Untersuchungen sollen nun ein genaueres Bild vom Kristallaufbau liefern. Dann bekämen die Forscher auch eine bessere Vorstellung vom Mechanismus, der dazu führt, dass sich bei Plusgraden überhaupt stabile Cooper-Paare formen können, die ohne Widerstand durch das Kristallgitter des kohlenstoffhaltigen Schwefelwasserstoffs wandern. Das könnte bei der Suche nach Raumtemperatur-Supraleitern helfen, die bei geringerem Druck ihren Widerstand verlieren.

Die Arbeiten der Forscher um Dias und seinen Kollegen seien ein großer Fortschritt, sagt Mikhail Eremets in einem Gespräch. Doch vom Heiligen Gral möchte der Mainzer Materialforscher nicht sprechen. Das wäre ein supraleitendes Material, dass sowohl bei Raumtemperatur als auch unter mäßigem Druck funktioniert. Nur dann wären praktische Anwendungen möglich, die die Welt verändern würden.

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