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Der perfekte Leiter : Supraleiter durchbricht die Temperatur-Schallmauer

Quantenphysikalische Magie: Ein Hochtemperatur-Supraleiter schwebt über einem Magneten. Das Feld wird aus dem Material herausgedrängt. Bild: University of Rochester, J. Adam Fenster

Ein supraleitendes Material aus Schwefel, Kohlenstoff und Wasserstoff verliert bereits bei Plusgraden seinen elektrischen Widerstand – allerdings nur, wenn man es extrem komprimiert.

          4 Min.

          Ein supraleitendes Material, in dem der elektrische Strom bei Raumtemperatur ohne jegliche Verluste fließen kann, ist die Vision vieler Festkörperphysiker, Elektrotechniker und Energieforscher. Denn ein solcher perfekter Leiter würde völlig neue technische Möglichkeiten für Stromkabel, Transformatoren oder Hochleistungs-Magnete eröffnen. Man könnte jede Menge Energie sparen, die beim Stromtransport durch eine Kupferleitung üblicherweise verloren geht. Auf teure Kühlmittel wie flüssiges Helium oder flüssigen Stickstoff, die man für handelsübliche Supraleiter benötigt, könnte man getrost verzichten. Was lange unerreichbar schien, präsentieren nun amerikanische Forscher von der Rochester University in New York in der Zeitschrift „Nature“. Sie haben eine Verbindung aus Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff synthetisiert, die sich tatsächlich schon bei Plusgraden in einen Supraleiter verwandelt. Allerdings trat das Phänomen erst zutage, als die Forscher um Ranga Dias ihre Probe einem extrem hohen Druck aussetzten. An eine praktische Anwendung ist daher derzeit nicht zu denken.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die Suche nach einem Raumtemperatur-Supraleiter, auch häufig als Heiliger Gral der Festkörperphysik tituliert, hält nun fast schon hundert Jahre an. Der holländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes entdeckte im Jahr 1911, dass Quecksilber seinen Widerstand verlor, als er das Metall mit flüssigem Helium bis auf -269 Grad kühlte. Erst ein halbes Jahrhundert später konnten John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer das seltsame Phänomen erklären. Danach geht der verlustfreie Stromfluss auf eine Paarung von Elektronen zurück, die am absoluten Temperatur-Nullpunkt, bei -273 Grad, ihre gegenseitige elektrostatische Abstoßung überwinden und paarweise reibungsfrei durch das Kristallgitter wandern. Zwar wurde die Supraleitung auch bei anderen Metallen nachgewiesen, aber es befand sich keines darunter, das bei deutlich höheren Temperaturen zum Supraleiter wurde. Im Jahr 2001 entdeckte man, dass sich die einfache Verbindung Magnesiumdiborid wie ein klassischer Supraleiter verhält. Sie wechselt bereits bei –234 Grad vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand.

          Wettlauf um die höchste Sprungtemperatur

          Es war eine große Überraschung, als Georg Bednorz und Alex Müller 1986 an den IBM-Forschungslabors in Rüschlikon auf einen nichtmetallischen keramischen Supraleiter stießen, dessen Sprungtemperatur bei -238 Grad lag. Die Entdeckung löste eine Jagd nach immer wärmeren Supraleitern aus. Weil der Mechanismus, der hinter der Hochtemperatur-Supraleitung steckt, noch immer weitgehend ein Rätsel ist, sind in der Hochtemperatur-Supraleitung seit den neunziger Jahren keine großen Temperatursprünge mehr erzielt worden. Den Rekord hält noch immer eine Kupferoxidkeramik mit einer Sprungtemperatur von -140 Grad. Als Kühlmittel reicht hier flüssiger Stickstoff.

          Hoffnung keimte im Jahr 2004 auf, als der Theoretiker Neil Ashcroft von der Cornell University in Ithaca (New York) für wasserstoffreiche Verbindungen hohe Sprungtemperaturen voraussagte, allerdings nur, wenn man sie während des Abkühlens stark komprimieren würde. Tatsächlich konnten einige Forscher Ashcrofts Prognosen bestätigen, darunter Wissenschaftler um Mikhail Eremets vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz. Sie beobachteten vor sechs Jahren, dass eine Schwefelwasserstoff-Verbindung (chemische Formel: H3S) bei minus 70 Grad supraleitend wurde, wenn man sie einem Druck von rund 1,5 Millionen Bar aussetzte. Zum Vergleich: Im Zentrum der Erde herrscht ein Druck von 3,6 Millionen Bar.

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