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Können Supraleiter bei Raumtemperatur ohne extremen Druck arbeiten?


Jahrzehntelang suchten Wissenschaftler nach einem Supraleiter bei Raumtemperatur. Nachdem sie nun endlich eines gefunden haben, geht die Jagd nach einem noch besseren Material weiter.

Bis letztes Jahr mussten alle bekannten Supraleiter – Materialien, die Elektrizität ohne Widerstand leiten – gekühlt werden, viele auf extrem niedrige Temperaturen, was sie für den Einsatz in den meisten elektronischen Geräten unpraktisch machte. Im Jahr 2020 berichteten der Physiker Ranga Dias und Kollegen, dass eine Verbindung aus Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff bei Raumtemperatur supraleitend ist (SN: 14.10.20). Doch der Kühlbedarf wurde durch eine andere unpraktische Anforderung ersetzt: Das Material musste auf 267 Gigapascal zerkleinert werden, mehr als das 2 Millionenfache des atmosphärischen Drucks der Erde.

Jetzt entwickeln Wissenschaftler Strategien, um den Druck zu verringern und vielleicht sogar den Druck auf das atmosphärische Niveau zu senken. „Das ist es, was wir wirklich wollen“, sagt Dias von der University of Rochester in New York.

Ein Supraleiter, der bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck arbeitet, könnte in eine Vielzahl von elektronischen Geräten integriert werden, was verbesserte Computer und fortschrittliche Schwebezüge ermöglicht und enorme Energiemengen im Stromnetz spart.

Aber wie findet man Supraleiter, die nahe bei Raumtemperatur arbeiten und weniger Druck benötigen? „Ich denke, dies ist jetzt die große verbleibende Frage auf diesem Gebiet“, sagte die Physikerin Lilia Boeri von der Universität Sapienza in Rom am 16. März bei einem Online-Meeting der American Physical Society. Während des Treffens berichteten mehrere Gruppen von Physikern, Fortschritte zu machen.

Auf der Suche nach Supraleitern

Um den nächsten großen Supraleiter zu finden, hilft es zu wissen, wo man mit der Jagd beginnen soll. Wissenschaftler verwenden Computerberechnungen, um die Strukturen und Eigenschaften von Materialien theoretisch zu bestimmen und die Suche zu leiten, sagte die theoretische Chemikerin Eva Zurek am 16. März auf dem Treffen. Diese Strategie hat sich in der Vergangenheit ausgezahlt. „Theorie hat eine sehr wichtige Rolle gespielt und in einigen Fällen diese Strukturen vorhergesagt, bevor sie hergestellt wurden“, sagte Zurek von der University at Buffalo in New York. Solche Vorhersagen führten die Forscher beispielsweise zu einer Verbindung aus Lanthan und Wasserstoff, die sich 2018 bei damals rekordhohen Temperaturen von etwa –13° Celsius als supraleitend erwies (SN: 10.09.18).

Jetzt haben Vorhersagen Wissenschaftler zu Supraleitern aus Yttrium und Wasserstoff geführt, berichtete Dias am 18. März auf dem APS-Meeting in Zusammenarbeit mit Zurek. Der Yttrium-Wasserstoff-Supraleiter von Dias ist bis etwa –11 °C supraleitend und einer der Hochtemperatur-Supraleiter, die bekannt sind. Während der Kohlenstoff-, Schwefel- und Wasserstoffsupraleiter von Dias immer noch der Temperaturrekordhalter ist, erfordert das neue Material einen deutlich niedrigeren Druck – obwohl es mit 182 Gigapascal immer noch kein einfacher Druck ist. Dias und Zurek haben auch ihre Ergebnisse am 19. März in . bekannt gegeben Physische Überprüfungsschreiben.

Die Liste der Hochtemperatur-Rekordhalter wird von wasserstoffreichen Supraleitern dominiert. Es wird erwartet, dass reiner Wasserstoff beim Zusammendrücken zu einem Metall wird, das ein Supraleiter bei Raumtemperatur wäre (SN: 8/10/16). Aber dieser metallische Wasserstoff erfordert so extreme Drücke, dass es sich als schwierig erwiesen hat, ihn zu erzeugen. Durch die Zugabe eines anderen Elements wie Lanthan oder Yttrium haben Wissenschaftler Supraleiter geschaffen, die ähnlich wie der schwer fassbare metallische Wasserstoff funktionieren, jedoch bei niedrigeren Drücken.

Theoretische Berechnungen haben nun alle Kombinationen von Wasserstoff und jedem anderen Einzelelement untersucht und nach wahrscheinlichen Supraleitern gesucht. Die neue Grenze ist die Berechnung von Kombinationen zweier Elemente mit Wasserstoff, wie beispielsweise die Kohlenstoff-Schwefel-Wasserstoff-Verbindung, die Dias experimentell gefunden hat. Diese Aufgabe stellt jedoch eine zusätzliche Herausforderung dar: zu viele Elementpaare zur Auswahl. „Unser Gesicht wird explodieren, die Zahl der möglichen Kombinationen“, sagt Zurek. Eine Studie hat jedoch bereits darauf hingewiesen, dass diese Technik erfolgreich sein wird, um den Druck zu verringern.

Neue Materialien studieren

Eine Kombination aus Lanthan, Bor und Wasserstoff könnte bei niedrigeren Drücken supraleitend sein, berichteten Boeri und Kollegen auf dem Treffen und in einem am 22. Februar auf arXiv.org veröffentlichten Papier. Die chemische Struktur ähnelt der des 2018er Supraleiters aus Lanthan und Wasserstoff, bei dem ein Käfig aus Wasserstoffatomen ein Lanthanatom umgibt. In der neuen Verbindung füllen Boratome einen zusätzlichen leeren Raum um den Käfig. Das sorgt für einen zusätzlichen chemischen Druck, sagte Boeri, was bedeutet, dass das Material, wenn es im Labor hergestellt würde, seine Supraleitfähigkeit sogar bei einem Außendruck von nur 40 Gigapascal beibehalten könnte. Die vorhergesagte erforderliche Temperatur ist mit –147 °C niedriger, aber im Vergleich zu den meisten Supraleitern immer noch relativ warm.

„Wir waren eigentlich ziemlich überrascht, dass das so funktioniert“, sagt Boeri. Normalerweise würden Chemiker erwarten, dass das Bor Bindungen mit dem Wasserstoff eingeht, anstatt einfach nur in den Wasserstoffkäfig einzudringen. Aber Chemie unter Druck bricht die normalen Regeln.

Deshalb seien Berechnungen bei der Suche nach Supraleitern so wichtig, sagt Zurek. Computergestützte Methoden zur Suche nach neuen Materialien unter Druck können Strukturen finden, an die sich die normale Intuition, basierend auf Chemie bei Umgebungsdruck, nicht hätte vorstellen können. Datenbanken mit chemischen Strukturen würden diese Materialien nicht enthalten, „und unsere chemische Vorstellungskraft hätte auch nicht davon träumen können, bevor sie im Computer gefunden wurde“, sagte sie.

In seinem Vortrag gab Dias Hinweise auf ein weiteres neues Material, das seine Gruppe gefunden hat, das bei Raumtemperatur und deutlich niedrigerem Druck, etwa 20 Gigapascal, supraleitend ist. Aber er kann aufgrund einer anhängigen Patentanmeldung noch nicht darüber sprechen.

Wissenschaftler sind begeistert von den neuen Entwicklungen in der Supraleiterforschung. „Das ist einfach das Spannendste, was derzeit in der Wissenschaft passiert“, sagte der Physiker Graeme Ackland von der University of Edinburgh, der eine der Sitzungen des Treffens moderierte.

Dias stellt sich eine Zukunft vor, in der Verkäufer von Baumärkten fragen werden: „Möchten Sie einen supraleitenden Draht oder möchten Sie normale Drähte?“, sagte er. „Wir wollen, dass es dieses Niveau erreicht.“

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