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Rekord in der Supraleitung : Der perfekte Leiter für arktische Kälte

Das Magnetfeld wird auf dem würfelförmigen Supraleiter heraus gedrängt. Die Folge: Der Supraleiter schwebt. Bild: IBM Forschungszentrum

Ein supraleitendes Material bricht den Temperaturrekord. Es verliert bereits bei –70 Grad Celsius seinen elektrischen Widerstand.

          Ein Stoff, der dem elektrischen Strom bei Raumtemperatur keinerlei Widerstand entgegensetzt, ist der Traum vieler Festkörperphysiker, Elektrotechniker und Energieforscher gleichermaßen. Denn ein solch alltagstauglicher perfekter Leiter würde völlig neue technische Möglichkeiten für Stromkabel, Transformatoren oder Hochleistungs-Magnete eröffnen. Doch tritt die Supraleitung bislang nur bei vergleichsweise tiefen Temperaturen auf. Als Kühlmittel benötigt man flüssiges Helium oder flüssigen Stickstoff, was die Anwendung der Supraleitung noch immer beschränkt. Doch es zeigt sich ein Silberstreifen am Horizont: Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemie und vom Institut für anorganische und analytische Chemie der Universität Mainz sind dem Ziel, Supraleitung bereits bei Raumtemperatur hervorzurufen, ein großes Stück nähergekommen. Mikhail Eremets und seine Kollegen haben beobachtet, dass eine Probe aus Schwefelwasserstoff den elektrischen Strom schon bei –70 Grad – einer Temperatur, die an manchen Orten der Erde vorherrscht – ohne nennenswerte Verluste leitet. Das ist die bislang höchste bekannte Sprungtemperatur. Allerdings trat die Supraleitung erst zutage, als man die Probe stark komprimierte.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Der bisherige Rekordhalter unter den Supraleitern – eine Kupferoxidkeramik – besitzt bei Normaldruck eine Sprungtemperatur von –135 Grad. Er gehört zu den sogenannten Hochtemperatur-Supraleitern, die mit flüssigem Stickstoff als Kühlmittel auskommen. Überraschender Weise zählt Schwefelwasserstoff jedoch zu den klassischen Supraleitern, also zu jenen Materialien, die normalerweise erst bei viel tieferen Sprungtemperaturen zum idealen elektrischen Leiter werden und deshalb zur Kühlung flüssigen Helium benötigen. Unter den klassischen Supraleitern hielt bislang die einfache Verbindung Magnesiumdiborid den Temperaturrekord. Sie wechselt, wie man im Jahr 2001 erstmals beobachtete, bei etwa  –234 Grad vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand.

          Zwei Elektronen bilden ein starkes Paar

          Das Phänomen der Supraleitung ist schon seit 1911 bekannt, als der holländische Physiker Heike Kammerlingh-Onnes herausfand, dass Quecksilber seinen elektrischen Widerstand vollkommen verliert, wenn man es mit flüssigem Helium bis auf minus 269 Grad kühlt. Danach dauerte es aber noch fast ein halbes Jahrhundert, bis die späteren Nobelpreisträger John Bardeen, Leon N2. Cooper und John R. Schrieffer die sogenannte BCS-Theorie formulierten. Mit ihr ließ sich der Mechanismus der Supraleitung verstehen, allerdings nur nahe dem absoluten Nullpunkt. Danach ist der verlustfreie Stromfluss auf eine Paarung von Elektronen zurückzuführen, die ihre gegenseitige elektrostatische Abstoßung überwunden haben und reibungsfrei durch das Kristallgitter wandern.

          Die Elektronen-Paare bilden sich auf eine komplizierte Weise. Dabei spielen Schwingungen des Kristallgitters, die „Phononen“, die entscheidende Rolle. Ein Elektron, das sich innerhalb des Kristalls bewegt, verändert die natürlichen Schwingungen des Kristallgitters. Durch die Verformung wird ein zweites Elektron angezogen, das sich mit dem ersten verbindet. Diese Cooper-Paare bilden dabei ein System niedrigster Energie.

          Georg Bednorz (links) und K. Alex Müller

          Es war eine Überraschung, als Georg Bednorz und Alex Müller 1986 an den IBM-Forschungslabors in Rüschlikon auf eine neue Klasse von Supraleitern stießen. Sie entdeckten, dass die Sprungtemperatur eines Lanthan-Barium-Kupferoxids mit -238 Grad deutlich über der Temperaturschwelle lag, die man bis dahin von den bekannten Supraleitern kannte. Die Entdeckung löste eine Jagd nach immer wärmeren Supraleitern aus. Den Rekord hält mit  –135 Grad seit 1994 eine QuecksilberKupferoxid-Keramik. Der Mechanismus der hinter der Hochtemperatur-Supraleitung steckt, kann mit der BCS-Theorie  allerdings nicht zufriedenstellend erklärt werden. Experten glauben, dass magnetische Wechselwirkungen eine wichtige Rolle spielen. Nicht zuletzt aus Mangel einer schlüssigen Theorie, sind in der Hochtemperatur-Supraleitung keine großen Temperatursprünge mehr erzielt worden.

          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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