Forschung

Heißer Supraleiter unter Hochdruck

15.10.2020 - Bei Raumtemperatur zeigt kohlenstoffhaltiges Schwefelhydrid in einer Diamantstempelzelle widerstandslose Stromleitung.

Seit Jahrzehnten suchen Festkörperphysiker nach Supraleitern mit immer höheren Sprungtemperaturen. Keramische Kupferoxide wechseln bei Normaldruck ab 138 Kelvin in den supraleitenden Zustand. Unter hohen Drücken dagegen erreichen wasser­stoff­reiche Verbindungen noch höhere Sprung­temperaturen. Nun gelang es Physikern um Ranga Dias von der Rochester University erstmals, einen Supraleiter bei einer kühlen Raumtemperatur von 288 Kelvin zu entwickeln. Dazu musste das kohlenstoffhaltige Schwefelhydrid allerdings in einer Diamant­stempel­zelle mit 267 Gigapascal zusammen­gepresst werden.

 

Dias und seine Kollegen konzentrierten ihre Forschung auf Wasserstoff. „Denn um einen Supraleiter für hohe Temperaturen zu bekommen, braucht man starke Bindungen und leichte Elemente“, sagt Dias. Genau diese Bedingungen erfüllen Wasserstoff­moleküle mit ihren starken chemischen Bindungen. Da sich reiner Wasserstoff auch unter Hochdruck nur schwierig in einen metallischen Zustand versetzen lässt, synthetisierten die Forscher eine Schwefel­verbindung, die reich an Wasserstoff war und zusätzlich Kohlenstoff enthielt.  Dazu pressten sie in der Diamantstempelzelle zuerst elementaren Schwefel und Kohlenstoff in einem ausgeglichenen molaren Verhältnis zusammen. Danach ließen sie Wasserstoff­gas um diese Probe strömen. Unter Laserlicht setzte ein photochemischer Prozess ein, über den dann das kohlenstoff­reiche Schwefel­hydrid entstand.

Um dieses Material zum Supraleiter zu verwandeln, waren extrem hohe Drücke nötig. Dias und Kollegen übten daher auf die Probe einen Druck von bis zu 267 Gigapascal – das entspricht etwa dem 2,5-Millionen­fachen des Atmosphären­drucks – aus. Unter diesem Druck wandelten sich die elektronischen Eigenschaften des Materials gravierend. So zeigte das Schwefelhydrid sogar noch bei 287,7 Kelvin – also etwa bei Raumtemperatur – eine widerstandslose Stromleitung, die mit angeschlossenen Platin-Elektroden gemessen werden konnte. In einem weiteren Supraleiter-Test suchten die Forscher nach einem diamagnetischen Übergang der magnetischen Suszeptibilität. Mit zunehmenden Druck verschob sich ein deutlicher Abfall der Suszeptibilität zu immer höheren Temperaturen. Die höchste Übergangs­temperatur wiesen sie bei 198 Kelvin und einem Druck von 189 Gigapascal nach. Noch höhere Drücke ließen sich in diesem Magnetfeld-Versuch experimentell wegen der geringen Probengröße von 25 bis 35 Mikrometern nicht aufbauen.

Dieses Experiment belegt, dass wasserstoffreiche Verbindungen tatsächlich die Grundlage für immer heißere metallische Supraleiter bilden. Zuvor hielt die Arbeitsgruppe um Mikhail Eremets am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz den Temperatur­rekord. Ebenfalls in einem Hochdruck­experiment zeigten sie im vergangenen Jahr, dass Lanthanhydrid (LaH10) bei der kritischen Temperatur von minus 23 Grad Celsius und 170 Gigapascal keinen elektrischen Widerstand mehr aufwies. Da sich die Supraleitung mit Widerstandsmessungen alleine nicht eindeutig nachweisen lässt, nahmen die Forscher ebenfalls zusätzliche Magnetfeld-Messungen vor. Sie beobachteten, dass ein Magnetfeld die Supraleitung stört, sodass sich der Übergang zu niedrigeren Temperaturen verschob.Einige Jahre zuvor hatten Eremets und seine Kollegen entdeckt, dass Schwefel­wasserstoff unter 250 Gigapascal Druck bei minus 70 Grad Celsius supraleitend wird.

Doch für Stromleitungen eignet sich trotz hoher Sprungtemperatur auch das neue kohlenstoffreiche Schwefelhydrid nicht. Denn technisch können derart hohe Drücke nur bei kleinen Proben in Diamant­stempelzellen realisiert werden. Doch Dias ist optimistisch, mit seinen Wasserstoff-reichen Verbindungen auf dem richtigen Weg sein. Über veränderte Zusammen­setzungen der Hydrid-Verbindungen hofft er, sich einem Supraleiter bei Raumtemperatur und gleichzeitig bei immer geringeren Drücken annähern zu können. Sollte dies gelingen, locken nicht nur verlustfreie Stromleitungen, mit denen sich eine Vielzahl von Kraftwerken einsparen ließe. Auch für Magnetschwebebahnen, leistungs­fähigere Kernspin­tomographen und sogar spezielle Quanten­computer-Typen könnten solche heißen Supraleiter interessant werden.

Jan Oliver Löfken

 

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