Entscheidender Durchbruch: Forschern ist es erstmals gelungen, ein Material bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt zum Supraleiter zu machen – allerdings unter sehr hohem Druck. Die aus Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff bestehende Verbindung verliert bei 14,5 Grad und 276 Gigapascal Druck ihren Widerstand und leitet Elektronen dadurch verlustfrei. Die Wissenschaftler sehen aber gute Chancen, den nötigen Druck noch deutlich zu senken, wie sie im Fachmagazin „Nature“ berichten.,
Supraleiter leiten Strom ohne Widerstand und könnten daher Elektronik und Stromnetze revolutionieren. Schon jetzt werden sie in Teilchenbeschleunigern, Kernspintomografen, Quantencomputern und – als Pilotprojekt – sogar in ersten städtischen Stromnetzen eingesetzt. Weil Supraleiter zudem Magnetfeldlinien abstoßen, kommen sie in Magnetschwebebahnen zum Einsatz. Bisher jedoch funktioniert der verlustfreie Elektronenfluss nur bei tiefgekühlten Materialien -was wegen des hohen Aufwands für die Kühlung ihre Anwendung einschränkt.
Raumtemperatur-Supraleiter – der „heilige Gral“
Die Entwicklung eines Supraleiters, der auch bei Raumtemperatur funktioniert, gilt deshalb als „heiliger Gral“ der Festkörperphysik. Tatsächlich ist es Forschern in den letzten Jahren gelungen, ganz neue Klassen von Supraleiter-Materialien zu finden, darunter vor allem die Metallhydride – Verbindungen aus Wasserstoff und einem Metall oder Übergangsmetall. In diesen Materialien scheinen die Wasserstoffatome den Übergang zur Supraleitung zu begünstigen.
„Um einen Hochtemperatur-Supraleiter zu erzeugen, benötigt man starke Bindungen und leichte Elemente – und Wasserstoff ist das leichteste Atom und seine Bindung eine der stärksten“, erklärt Seniorautor Ranga Dias von der University of Rochester in New York. 2015 entdeckten Wissenschaftler, dass Schwefelwasserstoff (H2S) unter hohem Druck schon bei minus 70 Grad zum Supraleiter wird. 2019 machte ein Team am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz ein Lanthanhydrid schon bei minus 32 Grad supraleitend – ebenfalls unter extrem hohem Druck.
Man nehme: Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff
Doch einen Raumtemperatur-Supraleiter gab es noch nicht – bis jetzt. Dias, Erstautor Elliot Snider und ihrem Team ist es erstmals gelungen, eine Hydridverbindung bei plus 14,55 Grad supraleitend zu machen. Es ist der erste Supraleiter, der oberhalb des Gefrierpunkts seinen Widerstand verliert. Wie bei den anderen Hydriden ist dafür aber hoher Druck nötig – der Übergang erfolgt bei 276 Gigapascal.
Konkret gelang der Durchbruch durch eine Variante des Schwefelwasserstoffs: Die Forscher gaben ein Gemisch aus Schwefel, Wasserstoff und Kohlenstoff n eine Diamantstempelzelle – eine Kammer, in der extrem hohe Drücke erzeugt werden können. Zunächst bildeten sich Methan und Schwefelwasserstoff. Bei rund vier Gigapascal entstand dann ein fester Kristall, in dessen Gitter Methan einige der Schwefelwasserstoffmoleküle ersetzte. Außerdem bildeten sich mit Wasserstoff gefüllte Einschlüsse.
Wurde nun diese kohlenstoffhaltige Schwefel-Wasserstoff-Verbindung weiter unter Druck gesetzt, wandelte sie sich bei 276 Gigapascal und 14,55 Grad zum Supraleiter. „Diesen Übergang zur Supraleitung belegte ein scharfer Abfall des elektrischen Widerstands, der innerhalb von weniger als einem Grad auf Null fiel“, berichten Snider und seine Kollegen. Auch die Magneteigenschaften änderten sich wie für Supraleiter typisch.
„Unsere Entdeckung reißt Barrieren ein“
Diese erste Supraleitung bei Raumtemperatur sei ein wichtiger Meilenstein, betonen die Forscher: „Wegen der Notwendigkeit einer Kühlung konnten Supraleiter-Materialien die Welt bisher nicht in dem Maße transformieren, wie es sich viele vorgestellt haben“, sagt Dias. „Aber unsere Entdeckung reißt nun diese Barrieren ein und öffnet die Tür zu vielen neuen potenziellen Anwendungen.“ Das Fachmagazin „Nature“ berichtet über ihren Durchbruch als Titelgeschichte.
Allerdings: Bis zu einer praktischen Anwendung bleibt noch einiges zu tun, wie auch Snider und seine Kollegen einräumen. Denn noch benötigt man eine Diamantstempelzelle und enormen Druck, um eine winzige Menge dieses Supraleiters herzustellen. Die Wissenschaftler sind aber zuversichtlich, dass sie en nötigen Druck durch weitere Optimierung unter anderem der Anteile der drei Elemente deutlich verringern können. „Ein chemisches Tuning unseres Dreiersystems könnte die Eigenschaften der Raumtemperatur-Supraleitung bei geringerem Druck erhalten“, schreiben die Forscher. (Nature, 2020; doi: 10.1038/s41586-020-2801-z)
Quelle: Nature, University of Rochester
