Die Entdeckung von wasserstoffreichen Verbindungen wie Schwefelwasserstoff (H₃S) hat die Situation verändert, indem sie Supraleitung bei viel zugänglicheren Temperaturen um -70°C ermöglichte und damit neue Perspektiven für eine praktische Nutzung eröffnete.
Um Supraleitung zu erreichen, ist extreme Kälte notwendig.
Bildnachweis: University of Rochester / J. Adam Fenster
Die Erforschung dieser Materialien birgt jedoch erhebliche Schwierigkeiten, nicht zuletzt deshalb, weil sie nur unter kolossalem Druck erzeugt werden können, der eine Million Mal höher ist als der normale atmosphärische Druck. Diese extremen Bedingungen machen den Einsatz traditioneller Messtechniken unmöglich, was Forscher lange daran hinderte, die quantenmechanischen Prozesse in diesen Supraleitern der neuen Generation eingehend zu untersuchen.
Um dieses Hindernis zu umgehen, hat ein Team des Max-Planck-Instituts in Mainz eine innovative spektroskopische Methode entwickelt, die unter diesen außergewöhnlichen Drücken funktionieren kann. Diese Rastertunnelspektroskopie-Technik ermöglichte es erstmals, den supraleitenden Zustand in H₃S direkt zu untersuchen und die Präsenz einer charakteristischen Energielücke von etwa 60 Millielektronenvolt aufzudecken.
Die Forscher untersuchten auch die deuterierte Version dieser Verbindung, D₃S, bei der Wasserstoff durch sein schwereres Isotop ersetzt wird. Die Messung einer kleineren Energielücke von etwa 44 Millielektronenvolt bestätigt, dass Gitterschwingungen eine zentrale Rolle im Mechanismus der Supraleitung spielen. Diese experimentelle Bestätigung stützt lang etablierte theoretische Vorhersagen über das Verhalten von Elektronen in diesen Materialien.
Dr. Feng Du, Erstautor der in Nature veröffentlichten Studie, betont, dass dieser technische Durchbruch den Weg für ein tieferes Verständnis der Faktoren ebnet, die Hochtemperatur-Supraleitung ermöglichen. Mikhail Eremets, Pionier auf diesem Gebiet, der kürzlich verstorben ist, betrachtete diese Arbeiten als die wichtigsten seit der ursprünglichen Entdeckung der Supraleitung in H₃S im Jahr 2015. Sein Kollege Vasily Minkov fügt hinzu, dass dieser Fortschritt die Entwicklung von Supraleitern, die bei Raumtemperatur funktionieren, näher rückt.
Die Geschichte der Supraleitung reicht bis ins Jahr 1911 zurück, als dieses Phänomen in Quecksilber von Heike Kamerlingh Onnes entdeckt wurde. Jahrzehntelang glaubte man, dass diese außergewöhnliche Eigenschaft nur bei extrem niedrigen Temperaturen existieren könne. Die Entdeckung der Kuprate in den 1980er Jahren stellte eine erste Revolution dar, gefolgt von der jüngeren Entwicklung metallischer Hydride mit hohem Wasserstoffgehalt, die die Temperaturgrenzen stetig in Richtung praktischerer Werte für zukünftige Anwendungen verschieben.
Das Phänomen der Supraleitung
Die Supraleitung stellt eine der bemerkenswertesten Eigenschaften dar, die einige Materialien zeigen, wenn sie unter eine bestimmte Temperatur abgekühlt werden. Unterhalb dieser kritischen Temperatur verschwindet der elektrische Widerstand vollständig, sodass Strom unbegrenzt ohne Energieverlust fließen kann. Diese einzigartige Eigenschaft eröffnet technologische Durchbrüche für Transport und Speicherung von Elektrizität mit potenziellen Anwendungen von ultraeffizienten Stromnetzen bis hin zu fortschrittlichen Antriebssystemen.
Der grundlegende Mechanismus hinter diesem Phänomen beinhaltet die Bildung von Elektronenpaaren, sogenannten Cooper-Paaren, die sich wie eine einzige Einheit verhalten. Im Gegensatz zu einzelnen Elektronen in normalen Metallen, die mit den Atomen des Materials kollidieren, bewegen sich diese koordinierten Paare ohne auf Hindernisse zu stoßen. Diese perfekte Koordination wird durch subtile Wechselwirkungen mit den Schwingungen des Kristallgitters ermöglicht, wodurch ein besonders stabiler kollektiver Quantenzustand entsteht.
Die Temperatur, bei der ein Material supraleitend wird, variiert erheblich je nach Zusammensetzung und Struktur. Die ersten entdeckten Supraleiter benötigten eine Abkühlung nahe dem absoluten Nullpunkt, was ihre praktischen Anwendungen stark einschränkte. Jüngste Fortschritte haben es ermöglicht, Materialien zu identifizieren, die diese Eigenschaft bei viel höheren Temperaturen zeigen, einige nähern sich sogar Raumtemperaturbedingungen an, was einen großen Schritt in Richtung einer breiteren Nutzung darstellt.
Die Bedeutung der Supraleitung geht weit über den Bereich der Elektrizität hinaus und berührt Spitzentechnologien wie medizinische Magnetresonanztomographie, Magnetschwebebahnen und Quantencomputer. Jede neue Entdeckung auf diesem Gebiet bringt uns einem Zukunftsszenario näher, in dem Energie mit einem heute unvorstellbaren Wirkungsgrad transportiert und genutzt werden könnte.