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Widerstandslose Träumereien : Supraleitung schon bei Gefrierschrank-Temperaturen

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

Eine supraleitende Verbindung aus Lanthan und Wasserstoff bricht den Temperaturrekord. Der Strom fließt bereits bei minus 23 Grad ohne Verluste. Erreichen wir bald die Raumtemperatur-Marke?

          Ein Material, das dem elektrischen Strom schon bei Raumtemperatur keinerlei Widerstand entgegensetzt, ist der Traum vieler Festkörperphysiker, Elektrotechniker und Energieexperten. Denn ein solcher perfekter Leiter würde, da keine Verluste entstehen, 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 einschränkt.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Ein Silberstreifen zeigt sich aber am Horizont: Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz sind dem Ziel, Supraleitung bereits bei Raumtemperatur hervorzurufen, ein großes Stück nähergekommen. Mikhail Eremets und seine Kollegen haben beobachtet, dass eine Probe aus Lanthan-Wasserstoff den elektrischen Strom schon bei minus 23 Grad ohne Verluste leitet. Das ist die bislang höchste bekannte Sprungtemperatur eines Supraleiters. Allerdings trat das Phänomen erst zutage, als die Forscher die Probe extrem komprimierten.

          Wettlauf um die höchste Sprungtemperatur

          Den Rekord unter den Supraleitern hielt lange eine Kupferoxidkeramik. Sie besitzt bei Normaldruck eine Sprungtemperatur von minus 140 Grad. Die Verbindung gehört zu den sogenannten Hochtemperatur-Supraleitern, die mit flüssigem Stickstoff als Kühlmittel auskommen. Überraschenderweise zählt die in Mainz untersuchte Lanthan-Wasserstoff-Verbindung (LaH₁₀) jedoch zu den klassischen Supraleitern, also zu jenen Materialien, die normalerweise erst bei viel tieferen Sprungtemperaturen zum idealen elektrischen Leiter mutieren und deshalb zur Kühlung flüssiges Helium benötigen. Unter den klassischen Supraleitern hielt bislang die einfache Verbindung Magnesiumdiborid den Temperaturrekord. Sie wechselt, wie japanische Forscher im Jahr 2001 erstmals beobachteten, bei etwa minus 234 Grad vom normalleitenden in den supraleitenden Zustand. Einen äußeren Druck auf ihre Probe mussten sie nicht ausüben.

          Die Suche nach einem Raumtemperatur-Supraleiter ist fast so alt, wie das Phänomen der Supraleitung selbst bekannt ist. 1911 entdeckte der holländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes, dass Quecksilber seinen Widerstand verlor, als er das Metall bis auf minus 269 Grad kühlte. Danach dauerte es aber noch fast ein halbes Jahrhundert, bis die späteren Nobelpreisträger John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer die sogenannte BCS-Theorie formulierten. Mit ihr ließ sich der Mechanismus der Supraleitung nahe dem absoluten Nullpunkt erklären. Danach geht der verlustfreie Stromfluss auf eine Paarung von Elektronen zurück, die ihre gegenseitige elektrostatische Abstoßung überwunden haben und reibungsfrei durch das Kristallgitter wandern. Diese Cooper-Paare bilden dabei ein System niedrigster Energie. Doch wurden lange keine Materialien gefunden, die schon oberhalb von minus 240 Grad zum Supraleiter werden.

          Schwefelhydrid bricht die Temperatur-Schallmauer

          Es war deshalb eine Überraschung, als Georg Bednorz und Alex Müller 1986 an den IBM-Forschungslabors in Rüschlikon auf einen nichtmetallischen Supraleiter stießen, dessen Sprungtemperatur mit minus 238 Grad über der bisherigen Schwelle lag. Die Entdeckung löste eine Jagd nach immer wärmeren Supraleitern aus. Weil der Mechanismus, der hinter der Hochtemperatur-Supraleitung steckt, noch immer ein Rätsel ist, sind in der Hochtemperatur-Supraleitung seit den neunziger Jahren keine großen Temperatursprünge mehr erzielt worden.

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