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Supraleitung Neuer Rekord: Supraleitung bei minus 70 Grad Celcius

| Autor / Redakteur: Susanne Benner* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Forscher des Mainzer Max-Planck-Instituts für Chemie und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz beobachteten, dass Schwefelwasserstoff bei -70 °C supraleitend wird – wenn sie die Substanz einem Druck von 1,5 Millionen Bar aussetzen. Mit ihren Hochdruck-Experimenten haben die Wissenschaftler nicht nur einen Rekord für die Hochtemperatur-Supraleitung aufgestellt, sie weisen mit ihren Erkenntnissen auch einen neuen Weg, auf dem sich möglicherweise Strom bei Raumtemperatur verlustfrei transportieren lässt.

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Erstaunlich handlich ist die Apparatur, mit der das Team um Mikhail Eremets am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz extrem hohe Drücke erzeugt. Mit Inbus-Schrauben pressen die Forscher die metallene Zelle zusammen. Den Hochdruck, der dabei im Zentrum der Zelle entsteht, halten nur Diamanten aus. Zwischen den Edelsteinen wird die Probe zusammengepresst.
Erstaunlich handlich ist die Apparatur, mit der das Team um Mikhail Eremets am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz extrem hohe Drücke erzeugt. Mit Inbus-Schrauben pressen die Forscher die metallene Zelle zusammen. Den Hochdruck, der dabei im Zentrum der Zelle entsteht, halten nur Diamanten aus. Zwischen den Edelsteinen wird die Probe zusammengepresst.
(Bild: Thomas Hartmann)

Mainz – Alltagstaugliche Supraleiter sind noch ein Traum vieler Festkörperphysiker. Bislang sind nur Materialien bekannt, die Strom bei sehr tiefen Temperaturen ohne elektrischen Widerstand und mithin verlustfrei leiten. So besetzten in puncto Sprungtemperatur – das ist die Temperatur, bei der ein Material seinen Widerstand verliert – bisher spezielle Kupferkeramiken, so genannte Kuprate, die vorderen Plätze. Der Rekord einer solchen Keramik liegt bei etwa minus 140 °C unter normalem Luftdruck und minus 109 °C unter hohem Druck. In den Keramiken tritt dabei eine spezielle, unkonventionelle Form der Supraleitung auf. Um die konventionelle Supraleitung zu erreichen, waren bisher sogar mindestens minus 234 °C nötig.

Ein Team um Mikhael Eremets, Leiter einer Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Chemie, hat in Zusammenarbeit mit Forschern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz die konventionelle Supraleitung jetzt bei -70 °C beobachtet, und zwar in herkömmlichem Schwefelwasserstoff (H2S). Um den Widerstand der unter normalen Bedingungen gasförmigen Substanz zu brechen, mussten die Wissenschaftler sie jedoch einem Druck von 1,5 Megabar, also 1,5 Millionen Bar aussetzen, wie sie in der neuesten Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature erläutern.

Die Sprungtemperatur konventioneller Supraleitung kennt keine Grenze

„Mit unseren Experimenten haben wir einen neuen Rekord für die Temperatur aufgestellt, bei der ein Material supraleitend wird“, sagt Mikhael Eremets. Außerdem hat sein Team erstmals experimentell nachgewiesen, dass es konventionelle Supraleiter mit hoher Sprungtemperatur gibt. Theoretische Berechnungen hatten das unter anderem für H2S bereits vorhergesagt. „Es ist vielversprechend, nach anderen Materialien zu suchen, in denen konventionelle Supraleitung bei hohen Temperaturen auftritt“, sagt der Physiker. „Denn für die Sprungtemperatur konventioneller Supraleiter gibt es theoretisch keine Grenze, und unsere Experimente lassen hoffen, dass es sogar bei Raumtemperatur Supraleitung gibt.“

Den extrem hohen Druck, der nötig ist, um H2S bei vergleichsweise moderaten Minusgraden supraleitend zu machen, erzeugten die Forscher in einer speziellen Druckkammer, die weniger als ein Kubikzentimeter groß ist. Durch zwei seitliche Diamantenspitzen, die wie Ambosse wirken, können sie den Druck auf die Probe stetig erhöhen. Die Zelle ist mit Kontakten versehen, um den elektrischen Widerstand der Probe zu messen. In einer anderen Hochdruckzelle können die Forscher zudem die magnetischen Eigenschaften eines Materials untersuchen, die sich bei der Sprungtemperatur ebenfalls ändern.

Nachdem die Forscher flüssigen Schwefelwasserstoff in eine solche Druckkammer gefüllt hatten, erhöhten sie den Druck auf die Probe schrittweise von etwa einem auf zwei Megabar und veränderten für jeden Druck auch die Temperatur. Dabei ermittelten sie in Messungen sowohl des Widerstands als auch der Magnetisierung die Sprungtemperatur des Materials. Die Messungen der Magnetisierung sind dabei aussagekräftiger, weil ein Supraleiter ideale magnetische Eigenschaften besitzt.

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