Grundlagenforschung Dem Mechanismus von Raumtemperatur-Supraleitern auf der Spur

Supraleiter können Strom ohne Widerstand und damit ohne Verlust fließen lassen. Bisher ist dies jedoch nur bei sehr tiefen Temperaturen unter -150 Grad Celsius möglich. Neueste Forschungsergebnisse könnten jetzt die Voraussetzung für die Herstellung eines Supraleiters bei Raumtemperatur liefern.

Das Phänomen der Supraleitung wurde bereits 1911 in Metallen entdeckt. Es lässt Strom ohne Widerstand und damit ohne Verlust bei sehr tiefen Temperaturen um -150 Grad Celsius fließen. Nahezu ein halbes Jahrhundert verging, bis 1957 die BCS-Theorie ein Verständnis der Supraleitung in Metallen lieferte. Im Jahr 1986 warf die Entdeckung von Supraleitung bei keramischen Materialien (Kupfer-Sauerstoff-Verbindungen, sogenannten Kupraten) bei deutlich höheren Temperaturen neue Fragen auf und weckte die Hoffnung auf Supraleitung bei Raumtemperatur. Nun ist Physikern der Universität Leipzig ein tieferer Einblick in den Mechanismus dieser Supraleiter gelungen.

Wissenschaftliche Erkenntnisse aus dem Jahr 2016 bestätigt

Bereits 2016 hat die Arbeitsgruppe unter Leitung von Prof. Dr. Jürgen Haase eine experimentelle Methode auf der Basis von Magnetresonanz entwickelt, mit der für die Supraleitung relevante Veränderungen in der Struktur der Materialien gemessen werden können. Sie identifizierten damals weltweit erstmals einen messbaren Materialparameter, der die maximal mögliche Sprungtemperatur voraussagt – eine Voraussetzung, um Supraleitung bei Zimmertemperatur zu erreichen. Vor etwa einem Jahr verifizierte eine kanadische Forschergruppe mit neu entwickelten, computergestützten Rechnungen die Forschungsergebnisse und untermauerte sie damit theoretisch. Haase und sein Team haben nun entdeckt, dass Kuprate, die unter Druck die Supraleitung vervielfachen, der 2016 vorausgesagten Ladungsverteilung zwischen dem Kupfer und dem Sauerstoff folgen.

Sprungtemperaturerhöhung nachvollzogen

„Unter Druck kann die Sprungtemperatur von Kupraten vervielfacht werden. Das beschäftigt die Wissenschaft seit 30 Jahren. Aber bislang war unbekannt, welcher Mechanismus dafür verantwortlich ist“, erklärt Haase. Er und seine Kollegen aus dem Felix-Bloch-Institut für Festkörperphysik seien nun dem wirklichen Mechanismus in diesen Materialien ein großes Stück nähergekommen. Sie erforschten die Kuprate mit der Kernresonanz und haben die Leipziger Relation aufgestellt. Sie besagt, dass man dem Sauerstoff in diesen Materialien Elektronen entziehen und sie dem Kupfer geben muss, um die Sprungtemperatur zu erhöhen. Das könne man mit Chemie machen, aber auch mit Druck. Ihr aktuelles Forschungsergebnis könnte die Voraussetzung für die Herstellung eines Supraleiters bei Raumtemperatur sein, was nach Einschätzung Haases nur noch einige Jahre dauern dürfte.

Zur Originalpublikation im Forschungsmagazin "PNAS"

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