Erstmals ist es Physikern gelungen, ein Material schon bei minus 70 Grad widerstandsfrei zu machen – das ist neuer Rekord. Sie erreichten dies noch dazu mit einer Allerwelts-Verbindung: dem faulig stinkenden Schwefelwasserstoff. Bisher ist dafür allerdings hoher Druck nötig, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten. Physiker in aller Welt suchen deshalb jetzt nach ähnlichen, wasserstoffreichen Verbindungen, die möglicherweise bei noch höheren Temperaturen supraleitend werden.
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Ein elektrischer Leiter ohne Widerstand – das ist das Nonplusultra für nahezu alles, was Strom benötigt. Denn in solche Materialien leiten Elektronen verlustfrei. Allerdings: Bisher müssen selbst Hochtemperatur-Supraleiter auf minus 180 Grad Celsius heruntergekühlt werden – das macht Kabel aus solchen Materialien aufwändig. Für die konventionelle Supraleitung waren bisher sogar mindestens minus 234 Grad Celsius nötig. Erste Pilotprojekte gibt es aber dennoch bereits, beispielsweise in Essen.
„Allerwelts-Gas“ als Super-Supraleiter
Kein Wunder, dass Wissenschaftler weltweit nach Materialien suchen, die bei noch höheren Temperaturen ihren Widerstand verlieren. Der Gral ist dabei die Supraleitung bei Raumtemperatur. Bisher am nächsten kommen diesem Ziel bisher spezielle Kupferkeramiken, sogenannte Kuprate. Sie müssen „nur“ auf minus 140 bis 180 Grad Celsius heruntergekühlt werden. Doch diese Materialien sind teuer und aufwändig herzustellen.
Mikhael Eremets vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz und seine Kollegen haben nun einen neuen Temperaturrekord der Supraleitung erzielt – und das ausgerechnet bei einer Allerwelts-Chemikalie. Denn ihr Supraleiter ist Schwefelwasserstoff (H2S) – das Gas, das nach faulen Eiern stinkt.
Neuer Rekord – und das ganz konventionell
In ihrem Experiment setzten die Forscher flüssigen Schwefelwasserstoff in einer speziellen Druckkammer dem Druck von 1,5 Millionen Bar aus. Gleichzeitig senkten sie die Temperatur schrittweise immer weiter ab und maßen, ob und wie sich der Widerstand und die Magnetisierung des Schwefelwasserstoffs ändern. Bei minus 70 Grad war es soweit: Der Schwefelwasserstoff verlor seinen Widerstand und wurde supraleitend.
„Damit haben wir einen neuen Rekord für die Temperatur aufgestellt, bei der ein Material supraleitend wird“, sagt Eremets. Das Besonders daran: Schwefelwasserstoff ist ein sogenannter konventioneller Supraleiter. Bei diesen wird die Widerstandslosigkeit durch Schwingungen in der Kristallstruktur des Materials ausgelöst. Sie bringen die Elektronen dazu, sogenannte Cooper-Paare zu bilden, bei denen der Gesamt-Spin gleich Null ist – und das macht ihre widerstandslose Durchtunnelung des Kristalls möglich.
Der Wasserstoff ist das Entscheidende
Dass der Schwefelwasserstoff seinen elektrischen Widerstand bei Hochdruck schon so früh verliert, führen die Forscher auf den Wasserstoff zurück: Seine Atome schwingen im Kristallgitter mit der höchsten Frequenz, weil Wasserstoff am leichtesten ist. Je schneller aber die Schwingungen, desto effektiver ist der Übergang zur Supraleitung. Außerdem treiben starke Bindungen zwischen den Atomen die Temperatur in die Höhe, bei der ein Material supraleitend wird.
Wenn der Schwefelwasserstoff H2S unter Druck gesetzt wird, lagern sich seine Atome um und es bildet sich H3S – und diese Verbindung erfüllt beide obigen Bedingungen. Bisher allerdings riecht dies nur aus, um die minus 70 Grad zu erreichen, von der Supraleitung bei Raumtemperatur ist auch das noch ziemlich weit entfernt. Den Druck auf Schwefelwasserstoff über 1,5 Megabar hinaus zu erhöhen, hilft dabei aber nicht. Denn wie die Experimente zeigen, sinkt oberhalb dieses Wertes die Sprungtemperatur wieder ab.
Wasserstoff als Super-Supraleiter?
Deshalb suchen Eremets und sein Team nun nach Materialien mit noch höheren Sprungtemperaturen. „Denn für die Sprungtemperatur konventioneller Supraleiter gibt es theoretisch keine Grenze“, sagt der Forscher. „Unsere Experimente lassen hoffen, dass es sogar bei Raumtemperatur Supraleitung gibt.“
Die Physiker halten dabei Wasserstoffverbindungen und vielleicht sogar reinen Wasserstoff für vielversprechende Kandidaten. Mit letzterem experimentiert das Team bereits, doch die Versuche sind sehr schwierig, weil dafür Drücke von drei bis vier Megabar nötig sind. „Unsere Untersuchung an Schwefelwasserstoff zeigt aber, dass viele wasserstoffreiche Materialien eine hohe Sprungtemperatur besitzen können“, so Eremets.
Physiker hoffen nun, dass es vielleicht sogar wasserstoffreiche Materialien geben könnte, die ganz ohne Hochdruck supraleitend werden. „Möglicherweise gibt es Polymere oder andere wasserstoffreiche Verbindungen, die sich auf andere Weise metallisch machen lassen und bei Raumtemperatur supraleitend werden“, sagt Eremets. Ließen sich solche Materialien finden, gäbe es sie endlich: Supraleiter, die für eine breite technische Anwendung brauchbar sind. (Nature, 2015; doi: 10.1038/nature14964)
(Max-Planck Gesellschaft, 18.08.2015 – NPO)
