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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.

          Mit dieser Laserapparatur untersuchen die Forscher ihre Proben unter hohem Druck mithilfe der Raman-Spektroskopie. Bilderstrecke

          Deshalb hat sich eine Reihe von Forschern auf wasserstoffreiche Verbindungen konzentriert. Im Jahr 2004 sagte der Theoretiker Neil Ashcroft von der Cornell University in Ithaca (New York) voraus, dass diese Hydride hohe Sprungtemperaturen aufweisen würden, wenn man sie während des Abkühlens stark komprimiert. Tatsächlich konnten die Mainzer Wissenschaftler um Mikhail Eremets Ashcrofts Prognosen bestätigen und vor vier Jahren die Temperatur-Schallmauer mit einer Schwefelwasserstoff-Verbindung (chemische Formel: H₃S) durchbrechen. Die beobachtete Sprungtemperatur lag bei minus 70 Grad. Der Druck, der dabei auf der Probe lastete, betrug 1,5 Millionen Bar. Nur unter diesen extremen Bedingungen ging H₃S zunächst in einen metallischen und dann in den supraleitenden Zustand über. Schon damals vermutete Eremets, dass damit noch nicht das Ende der Fahnenstange erreicht sei.

          Das Ende der Fahnenstange erreicht?

          Weil es keinen Erfolg brachte, Schwefelwasserstoff noch stärker zu komprimieren, wandten sich die Mainzer Forscher anderen wasserstoffreichen Verbindungen zu. Als aussichtsreiche Kandidaten wurden Yttriumhydrid (YH₁₀) und Lanthanhydrid (LaH₁₀) gehandelt. Zehn Wasserstoffatome gruppieren sich hierbei jeweils um ein Atom eines Seltenerdmetalls. Es entsteht eine Käfigstruktur, die die Supraleitung begünstigen sollte. Für diese Verbindungen sind Sprungtemperaturen zwischen minus 33 und 50 Grad vorausgesagt worden. Allerdings formen sich die Molekülkäfige nur unter enormem Druck.

          Wie bei ihren früheren Experimenten verwendeten die Forscher um Eremets auch dieses Mal eine spezielle Hochdruckpresse. Diese befüllten sie mit stabilem Lanthanhydrid (LaH₃) und Wasserstoffgas. Über zwei Diamantspitzen, die wie Ambosse wirken, erhöhten sie schrittweise den Druck auf die Probe. Bei 1,7 Millionen Bar bildete sich das besonders wasserstoffreiche Lanthanhydrid LaH₁₀. Als die Forscher die Temperatur absenkten, beobachteten sie schon bei minus 23 Grad ein für Supraleiter charakteristisches Verhalten: Der elektrische Widerstand der Probe sank plötzlich stark ab, entsprechend steil stieg die Leitfähigkeit an. Der Befund erhärtete sich, so schreiben die Forscher in der Zeitschrift „Nature“, als sie ein starkes Magnetfeld anlegten. Das Feld störte die Bildung von Cooper-Paaren und damit den supraleitenden Zustand, was sich in einem deutlichen Abfall der Sprungtemperatur zeigte. Dass komprimiertes Lanthanhydrid zu den konventionellen Supraleitern gehört, wiesen die Mainzer Forscher dadurch nach, dass sie den Wasserstoff durch das schwerere Wasserstoffisotop Deuterium ersetzten. Wie von der BCS-Theorie vorhergesagt, sank die kritische Temperatur.

          Motiviert von ihren Ergebnissen, wollen Eremets und seine Kollegen nun nach Materialien mit noch höheren Sprungtemperaturen suchen. Hoffnung verspricht man sich von wasserstoffreichem Yttriumhydrid (YH₁₀). Hier könnte sogar die Supraleitung schon knapp unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser einsetzen. Aber welchen praktischen Nutzen hätte ein Material, das unter hohem Druck tatsächlich bei Raumtemperatur supraleitend würde? Eine Anwendung etwa als Stromkabel käme kaum in Frage. Für James Hamlin, Materialforscher von der University of Florida in Gainesville und Autor eines Begleitkommentars in „Nature“, wäre es deshalb entscheidend, supraleitende Materialien zu synthetisieren, die ähnlich wie Diamant bei normalem Atmosphärendruck stabil sind. Diamant entsteht üblicherweise bei hohen Drücken tief in der Erde, bevor er an die Erdoberfläche befördert wird. Heute werden Diamantkristalle unter milden Bedingungen im Labor hergestellt. Vielleicht gelingt dies eines Tages auch mit Supraleitern, die wie Lanthanhydrid bislang nur unter hohem Druck synthetisiert werden können.

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