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Rekord in der Supraleitung : Der perfekte Leiter für arktische Kälte

Die Mainzer Wissenschaftler um Michail Eremets haben die Temperatur-Schallmauer mit ihrer Entdeckung nun durchbrochen. Bei ihren Experimenten füllten sie flüssigen Schwefelwasserstoff (chemische Formel: H₂S) in eine Hochdruckkammer. Über zwei Diamantspitzen, die wie Ambosse wirkten, erhöhten sie schrittweisen den Druck auf die Probe und erniedrigten die Temperatur in der Kammer. Gleichzeitig registrierten die Forscher den elektrischen Widerstand und das Magnetfeld der Probe.

Mit Imbusschrauben und  konischen Diamanten pressen die Mainzer Forscher um Mikhail Eremets die metallene Zelle zusammen, um extrem hohe Drücke zu erzeugen.

Als man den Druck auf 1,5 Millionen Bar erhöhte und im Gegenzug die Temperatur auf minus siebzig Grad absenkte, beobachtete man das für die Supraleitung charakteristisches Verhalten: Das angelegte Magnetfeld wurde aus der Probe heraus gedrängt und der elektrische Widerstand sank plötzlich stark ab. Detaillierte Messungen der magnetischen Eigenschaften zeigten, dass sich der unterkühlte und stark komprimierte Schwefelwasserstoff wie ein klassischer Supraleiter verhielt und nicht wie ein Hochtemperatur-Supraleiter.

Wasserstoffatome befördern die Supraleitung

Dass Schwefelwasserstoff unter hohem Druck bei vergleichsweise gemäßigten Temperaturen supraleitend wird, führen Eremets und seine Kollegen darauf zurück, dass sich in Folge des hohen Drucks in der Probe eine besondere Form von Schwefelwasserstoff gebildet hat. Hierbei ist ein Schwefelatom statt mit zwei mit gleich drei Wasserstoffatomen verbunden (chemische Formel: H₃S). Wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten, bildet H3S ein Übergitter, dessen Phonen die Bildung von Cooper-Paaren erleichtert. Frühere Rechnungen haben gezeigt, dass Materialien mit einer großer Zahl von Wasserstoffatomen eine hohe Sprungtemperaturen aufweisen sollten.

Motiviert von ihren Ergebnissen, wollen Eremets und seine Kollegen nun nach Materialien mit noch höheren Sprungtemperaturen suchen. Allein Schwefelwasserstoff noch stärker zu komprimieren, hat zu keinem Ergebnis geführt. Rechnungen haben obendrein gezeigt, dass sich bei noch höherem Druck das Gefüge der Elektronen so verändert, wodurch die Sprungtemperatur wieder sinkt. Eremets glaubt, dass komprimierter metallischer Wasserstoff ein Kandidat für einen Supraleiter mit einer hohen Sprungtemperatur ist. „Man erwartet, dass Wasserstoff unter hohem Druck schon bei Raumtemperatur supraleitend wird.“ Die bisherigen Versuche gestalten sich indes schwierig, da Drücke von drei bis vier Millionen Bar erforderlich sind.

„Es ist vielversprechend, nach anderen Materialien zu suchen, in denen konventionelle Supraleitung bei hohen Temperaturen auftritt“, sagt Eremets. Denn hier gebe es zumindest theoretisch keine Grenze.Dabei müsste nach Ansicht des Physikers ein extrem hoher Druck gar nicht immer nötig sein, um eine hohe Sprungtemperatur zu erreichen. Die Mainzer Forscher müssen ihre Proben, die wie Schwefelwasserstoff elektrische isolierend sind, erst stark komprimieren, um sie in Metalle verwandeln zu können. „Möglicherweise gibt es Polymere oder andere wasserstoffreiche Verbindungen, die sich auf andere Weise metallisch machen lassen und bei Raumtemperatur supraleitend werden.“ Die Forscher haben große Hoffnung, tatsächlich auf ein Material zu stoßen, das oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser den Strom widerstandslos transportiert und so für die Supraleitung den Weg in die breite Anwendung zu ebnen. Die stark komprimierte Schwefelwasserstoffprobe wäre zumindest an einigen Orten Teilen der Erde bereits supraleitend, etwa auf einem Plateau in der Ostarktis. Dort herrschen bisweilen frostige - 90 Grad Celsius.

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