Forschung

Mit Hochdruck zur Supraleitung

24.05.2019 - Neuer Rekord: Lantan­hydrid erreicht Sprung­tempe­ratur bei minus 23 Grad.

Weniger Kraftwerke, weniger Treib­hausgase und niedrigere Kosten: Wenn Wissen­schaftler Supraleitung bei Zimmer­tempe­raturen entdecken würden, könnten enorme Strom­mengen eingespart werden. Denn Supra­leiter trans­portieren Strom ohne Verluste. Ein Team des MPI für Chemie in Mainz ist diesem Ziel einen Schritt näher­gekommen. Die Forscher um Mikhail Eremets syntheti­sierten Lanthan­hydrid, das unter sehr hohem Druck bei minus 23 Grad Celsius seinen elek­trischen Wider­stand verliert. Bislang lag der Rekord für die Hoch­temperatur­supraleitung bei minus 70 Grad Celsius.

„Unsere Studie ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Supra­leitung bei Raum­temperatur", sagt Mikhail Eremets, Forschungs­gruppenleiter am MPIC. Für ihre Experimente synthetisierten die Wissenschaftler kleine Mengen von LaH10. In einer speziellen Kammer, die nur einige hundert Kubik­mikrometer groß ist, setzten sie die Proben einem Druck von 1,7 Megabar aus und kühlten sie dann ab. Bei der kritischen Temperatur von minus 23 Grad Celsius sank der elektrische Widerstand des Materials auf Null. Da sich die Supraleitung mit Widerstands­messungen alleine nicht eindeutig nachweisen lässt, nahmen die Forscher zusätzlich Messungen in einem äußeren Magnetfeld vor. Ein Magnetfeld stört die Supra­leitung, sodass sich der Übergang zu niedrigeren Temperaturen verschiebt. Genau das beobach­teten die Physiker.

Vor einigen Jahren hatten Eremets und seine Kollegen den Weg für die aktuellen Studien mit Fort­schritten bei der Hoch­temperatur-Supraleitung geebnet. Sie entdeckten, dass Schwefel­wasserstoff unter 2,5 Megabar Druck bei minus 70 Grad Celsius supraleitend wird, einer viel höheren Temperatur als jemals zuvor beobachtet wurde. Offenbar sind wasserstoff­reiche Verbindungen zu Supra­leitung bei besonders hohen Tempera­turen fähig – wenn sie sich in einen metallischen Zustand bringen lassen. Genau das bewirkt der hohe Druck. Bei Lanthan­hydrid ist er zudem nötig, damit sich aus dem metal­lischen Lanthan und Wasser­stoffgas das Hydrid bildet.

Bis zur Entdeckung der Hochtemperatur­supraleitung in Schwefel­wasserstoff hielten kupferhaltige Keramiken die Supraleitungs­rekorde. Aber selbst der beste dieser Stoffe verliert erst bei minus 135 Grad Celsius seinen elektrischen Widerstand. In ihnen entsteht die Supraleitung zudem durch einen anderen Mechanismus als bei metallischen Supraleitern. Deshalb werden die keramischen Supraleiter unkonven­tionell genannt. Die konven­tionellen metallischen Supraleiter geben ihren elektrischen Widerstand normaler­weise erst bei noch viel tieferen Temperaturen auf. Auch deshalb erregte die Entdeckung von Hochtemperatur­supraleitung in metal­lischen Schwefel­wasserstoff sehr viel Aufmerk­samkeit unter Physikern.

Dass auch Lanthanhydrid zu den konven­tionellen Supraleitern gehört, wiesen die Mainzer mit weiteren Experi­menten nach. Sie ersetzten den Wasser­stoff des Lanthan­hydrids durch Deuterium. Wie es die Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie der konventio­nellen Supra­leitung vorhersagt, sank die kritische Temperatur auf einen Wert von minus 93 Grad Celsius (180 K).

Mit dem aktuellen Erfolg gibt sich das Team von Mikhail Eremets aber noch nicht zufrieden. So suchen die Wissen­schaftler derzeit nach Supra­leitung in Yttrium­hydrid. „Bei diesem Material erwarten wir Supra­leitung bei noch höheren Temperaturen“, sagt Eremets.

MPIC / od

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