Periodensystem verrät potenzielle Supraleiter

Versteckte Gemeinsamkeiten: Bei der Suche nach neuen Hochtemperatur-Supraleitern könnte künftig ein Blick ins Periodensystem der Elemente genügen. Denn russische Chemiker haben herausgefunden, dass die widerstandslose Leitfähigkeit dieser Materialien auf einer elementaren Gesetzmäßigkeit beruht. Demnach scheinen Verbindungen von Wasserstoff mit Metallen einer bestimmten Elektronen-Konfiguration besonders günstig zu sein – und diese lässt sich am Periodensystem ablesen.

Supraleiter sind Materialien, die Elektronen ohne jeden Widerstand leiten. Spezielle Elektronen-Zustände im Kristallgitter dieser Materialien ermöglichen diese verlustfreie Leitung. Allerdings: Bei konventionellen Supraleitern tritt dies erst bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt auf – eher ungünstig für die praktische Anwendung.

Rätsel der Hochtemperatur-Supraleiter

Umso spannender ist die Entdeckung einiger Materialien, die schon bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden. Darunter sind spezielle Kupferverbindungen, sogenannte Cuprate, aber auch der Schwefelwasserstoff (H₂S). Dieser wird unter sehr hohem Druck sogar schon bei minus 70 Grad supraleitend – ein Rekord.

Das Problem dabei: Bisher ist es eher Zufall, wenn Chemiker auf neue Hochtemperatur-Supraleiter stoßen. Denn der Zusammenhang zwischen dieser exotischen Eigenschaft und der chemischen Struktur dieser Materialien ist bisher unklar. Forscher wissen nicht, warum einige Verbindungen unter bestimmten Bedingungen supraleitend werden und andere nicht. Die Suche nach neuen Supraleitern beruht daher weitgehend auf Versuch und Irrtum.

Wo liegen die Gemeinsamkeiten?

Doch das könnte sich nun geändert haben. Denn Artem Oganov vom Moskauer Institut für Physik und Technologie und seine Kollegen haben eine Gesetzmäßigkeit entdeckt, die künftig helfen könnte, neue Hochtemperatur-Supraleiter gezielt aufzuspüren. Für ihre Studie hatten sie sich gezielt eine Gruppe supraleitender Metallhydride angeschaut – Verbindungen von Metallen mit Wasserstoff.

Ihr Verdacht: Vielleicht steckt hinter der Fähigkeit zur Hochtemperatur-Supraleitung ja eine bestimmte Elektronen-Konfiguration der beteiligten Elemente. Dann könnte man besonders vielversprechende Kandidaten direkt an ihrer Position im Periodensystem der Elemente erkennen.

Elektronen-Konfiguration als Wegweiser

Als die Forscher daraufhin einige bisher bekannte Supraleiter daraufhin verglichen, fiel ihnen etwas auf: Unter den Hochtemperatur-Supraleitern sind besonders viele Hydride mit Metallatomen, deren d-Orbitale nur durch ein Elektron besetzt sind, wie beispielsweise bei Actinium und anderen Elementen der Scandium-Gruppe. Ebenso günstig scheint die Elektronenkonfiguration bei einigen Erdalkalimetall-Hydriden zu sein.

Könnte hier das Geheimnis für neue Hochtemperatur-Supraleiter liegen? Um das zu testen, prüften Oganov und seine Kollegen nun gezielt einige Actinium-Hydride, deren Supraleiter-Status zuvor nicht bekannt war. Und tatsächlich: Diese Verbindungen erwiesen sich wie vorhergesagt als Hochtemperatur-Supraleiter. „Wir postulieren daher, dass Metalle mit einer p0 und d1-Elektronenkonfiguration und tiefliegenden leeren Orbitalen dazu neigen, als Polyhydride zu Hochtemperatur-Supraleitern zu werden“, sagen die Forscher.

„Das Prinzip hinter diesem Zusammenhang zwischen Supraleitung und Periodensystem ist sehr einfach“, sagt Oganov. „Es ist wirklich erstaunlich, dass niemand schon vorher darauf gekommen ist.“ Er und seine Kollegen hoffen nun, dass ihre neuen Erkenntnisse die Suche nach neuen Supraleitern erleichtern wird – vielleicht gelingt es damit sogar, endlich Materialien zu finden, die sogar schon bei Raumtemperatur supraleitend werden. (The Journal of Physical Chemistry Letters, 2018; doi: 10.1021/acs.jpclett.8b00615)

(Moscow Institute of Physics and Technology, 18.04.2018 – NPO)