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Unter Hoch-Druck: Hochtemperatur-Supraleitungs-Rekord

Forscher des Max-Planck-Institutes für Chemie und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben entdeckt, dass Schwefelwasserstoffe bereits bei minus 70 Grad supraleitend werden. Allerdings bei einem Druck von 1,5 Millionen bar. Die Forscher hoffen, einer Supraleitung bei Raumtemperatur auf der Spur zu sein.

Hochdruckzelle Bildquelle: © Thomas Hartmann

Die Hochdruckzelle, in der die Forscher supraleitenden Schwefelwasserstoff erzeugten ist nur knapp einen Kubikzentimeter klein. Zum Halten der Probe werden dabei Diamanten verwendet, weil nur diese Drücke im Bereich von Megabar aushalten.

Kuprate genannte Kupferkeramiken stellten bisher in Sachen Sprungtemperaturen, den Temperaturen bei denen ein Stoff seinen elektrischen Widerstand verliert und supraleitend wird, die »Wärme«-Rekordmarken. Bei normalem Luftdruck lag diese Temperatur bei minus 140°C und unter hohem Druck bei minus 109°C. Die konventionelle Supraleitung benötigt gar eine Temperatur von minus 234°C.

»Mit unseren Experimenten haben wir einen neuen Rekord für die Temperatur aufgestellt, bei der ein Material supraleitend wird«, sagt Mikhael Eremets, Leiter der Arbeitsgruppe am Max-Planck-Institut für Chemie, die zusammen mit Forschern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz die Supraleitung von Schwefelwasserstoff bei minus 70°C beobachtet hat. Theoretische Berechnungen hatten diese hohe Sprungtemperatur für Schwefelwasserstoff vorhergesagt. »Es ist vielversprechend, nach anderen Materialien zu suchen, in denen konventionelle Supraleitung bei hohen Temperaturen auftritt«, sagt Eremets. »Denn für die Sprungtemperatur konventioneller Supraleiter gibt es theoretisch keine Grenze, und unsere Experimente lassen hoffen, dass es sogar bei Raumtemperatur Supraleitung gibt.«

Den nötigen Druck von 1,5 Millionen Bar, bei denen die »warme« Supraleitung gelang, stellten die Forscher mit einer speziellen, nur etwa einen Kubikzentimeter kleinen Druckkammer her, in der zwei Diamanten wie Ambosse die Probe in die Zange nehmen. Kontakte in der Zelle messen den elektrischen Widerstand der Probe. Nachdem die Zelle mit Schwefelwasserstoff gefüllt war, erhöhten die Forscher den Druck auf bis zu zwei MegaBar (Millionen Bar), veränderten gleichzeitig die Temperatur und maßen Widerstand, die Magnetisierung und Sprungtemperatur.

Weil die Schwingungen eines Kristallgitters die Supraleitung je effektiver vermitteln, je schneller die Atome schwingen, und Wasserstoffatome wegen ihrer geringen Masse von allen Elementen mit der höchsten Frequenz schwingen, besitzen Verbindungen mit viel Wasserstoff die höchsten Sprungtemperaturen. Starke Bindungen zwischen Atomen erhöhen zusätzlich die Sprungtemperatur, was bei H3S der Fall ist, das sich unter hohem Druck aus H2S bildet.

»Ein offensichtlicher Kandidat für eine hohe Sprungtemperatur ist reiner Wasserstoff«, sagt Mikhael Eremets. »Man erwartet, dass er unter hohem Druck schon bei Raumtemperatur supraleitend wird.« Mit ihm experimentiert sein Team bereits, doch die Versuche sind sehr schwierig, weil dafür Drücke von drei bis vier Megabar nötig sind. »Unsere Untersuchung an Schwefelwasserstoff zeigt aber, dass viele wasserstoffreiche Materialien eine hohe Sprungtemperatur besitzen können«, so Eremets.

Die Hoffnung ist, dass dabei auch höhere Sprungtemperaturen ohne Hochdruck herzustellen sind. Momentan ist der hohe Druck noch notwendig, um elektrisch isolierend wirkende Stoffe wie Schwefelwasserstoff in Metalle zu verwandeln. »Möglicherweise gibt es Polymere oder andere wasserstoffreiche Verbindungen, die sich auf andere Weise metallisch machen lassen und bei Raumtemperatur supraleitend werden«, hofft Eremets.