Prägt Palladium eine neue Ära? Spannendes Rennen um den besten Supraleiter
Forschende der Technischen Universität Wien haben zusammen mit Kolleginnen und Kollegen aus Japan herausgefunden, dass sich mit Hilfe von Palladium die Sprungtemperatur von Supraleitern optimieren lässt. Gibt es nun eine neue Ära der Palladaten oder hat ein Team aus New York den absoluten Durchbruch mit einem Lutetium-Hybrid geschafft?
Ein Magnet schwebt über einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Hochtemperatur-Supraleiter.
Foto: Panthermedia.net/ktsdesign
In der modernen Physik gilt es als eines der faszinierendsten Rennen: Wie kann man die besten Supraleiter herstellen, die auch unter hohen Temperaturen und normalem Druck ihre supraleitenden Eigenschaften beibehalten? Nachdem mit der Entdeckung der Nickelate eine neue Ära von Superleitern begonnen hatte, bringt die Technische Universität Wien nun ein neues Material ins Spiel. In Simulationen haben Forschende der Universität zusammen mit Universitäten in Japan herausgefunden, dass sich Palladium noch besser als Supraleiter eignet. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Physical Rewiew Letters“ veröffentlicht. Im März 2023 vermeldete ein Team aus New York sogar einen absoluten Durchbruch mit einem Supraleiter, der bei Raumtemperatur funktionieren soll.
Was ist ein Supraleiter?
Supraleitung bezeichnet das Phänomen, bei dem bestimmte elektrische Leiter bei sehr tiefen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand mehr aufweisen und somit ein Strom ohne ständigen Antrieb fließen kann. Viele Materialien werden nur knapp über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius) supraleitend, andere behalten auch bei deutlich höheren Temperaturen noch ihre supraleitenden Eigenschaften. Sie werden dann als Hochtemperatur-Supraleiter bezeichnet.
Die Bedeutung der Supraleitung liegt in ihrer Anwendung, beispielsweise bei der Erzeugung von starken Magnetfeldern mit supraleitenden Spulen in der Medizin oder in Beschleunigern. Es gibt auch Versuche, Supraleitung in der Rechentechnik, bei der Konstruktion von Generatoren und zur verlustarmen Übertragung von Elektroenergie mit supraleitenden Kabeln über weite Strecken zu nutzen. Die Kühlung von Hochtemperatur-Supraleitern erfolgt mit flüssigem Stickstoff, der im Vergleich zum teuren flüssigen Helium leichter herzustellen ist.
Berechnungen finden die goldene Zone
Die Forschung zur Herstellung von Supraleitern, die auch bei hohen Temperaturen und normalem Druck ihre supraleitenden Eigenschaften beibehalten, hat mit der Entdeckung der Nickelate in den letzten Jahren eine neue Ära eingeleitet. Diese Supraleiter basieren auf Nickel und werden oft als das „Nickelzeitalter“ der Supraleitungs-Forschung bezeichnet. Sie ähneln in vielen Aspekten den Cupraten, die auf Kupfer basieren und in den 1980er Jahren entdeckt wurden.
Jedoch haben neue Simulationen gezeigt, dass die Nickelate bei Weitem nicht optimal sind. In einer Kooperation zwischen der TU Wien und Universitäten in Japan wurde das Verhalten verschiedener Materialien am Computer präziser simuliert. Dabei wurde eine „goldene Zone“ identifiziert, in der Supraleitung besonders gut funktioniert. Interessanterweise erreicht man diese Zone weder mit Nickel noch mit Kupfer, sondern mit Palladium. Dies könnte ein neues Zeitalter in der Supraleitungs-Forschung einläuten, das als das „Palladat-Zeitalter“ bezeichnet werden könnte.
Die Suche nach dem heiligen Gral
Die Suche nach der optimalen Sprungtemperatur ähnelt etwas nach der Suche des heiligen Grals. Die Sprungtemperatur bezeichnet die Grenztemperatur, bei der ein Material supraleitend wird. Das geschieht bei vielen Materialien, wie bereits geschrieben, erst beim absoluten Nullpunkt von -273 Grad Celsius, bei anderen es bei höheren Temperaturen ab -233 Grad Celsius möglich.
So oder so muss viel Energie in das System gesteckt werden, um die Materialien runterzukühlen. Die Forschung arbeitet daher fieberhaft daran, Supraleiter zu finden, die auch bei höheren Temperaturen funktionieren. Der heilige Gral wäre es, wenn es ein Material gäbe, dass bereits bei Raumtemperatur supraleitend ist. Das gibt es allerdings bislang noch nicht, zumindest nicht in der Praxis.
Hat ein Team aus New York den Durchbruch geschafft?
Forscher unter der Leitung von Ranga Dias von der University of Rochester in New York haben möglicherweise erstmals einen Supraleiter bei Raumtemperatur und gemäßigtem Druck erzeugt, so wurde im März 2023 in verschiedenen Medien berichtet. Hierfür suchten sie zunächst nach einem Partner für Wasserstoff mit einer besonders günstigen Elektronenstruktur und fanden diesen in einem Lutetium-Hybrid, welches viele Elektronen für die Bildung von supraleitenden Elektronenpaaren bereitstellen kann.
Um den nötigen Druck zu reduzieren, suchte das Team nach einer Möglichkeit, das Kristallgitter des Materials zu stabilisieren, da dieses für die Supraleitung in einer bestimmten Weise schwingen muss, um die Bildung von Elektronenpaaren zu ermöglichen. Dabei spielte Stickstoff eine wichtige Rolle, da die Zugabe einer kleinen Menge Stickstoff das Gitter stabilisieren kann. Durch die Erhöhung des Drucks von 0,5 Gigapascal auf 1 Gigapascal stieg die Temperaturschwelle für die Supraleitung von -102 Grad auf +20,8 Grad. Tests der magnetischen Eigenschaften und der thermodynamischen Kalorimetrie bestätigten den supraleitenden Zustand des Materials.
Allerdings mussten Dias und seine Kollegen schon einmal einen Fachartikel zurückziehen, bei der es um die Entdeckung eines Supraleiters ging, der bei Raumtemperatur funktioniert. Um eine erneute Kritik an ihrem Experiment zu vermeiden, haben sie besonderen Wert darauf gelegt, alle Schritte zu dokumentieren und die Ergebnisse mehrfach zu überprüfen. Die Messungen wurden an zwei Nationallaboren in den USA durchgeführt, wo auch Physiker, die nicht an der Studie beteiligt waren, anwesend waren und die Messergebnisse bezeugen konnten, betonen die Forscher. Das Team ist daher zuversichtlich, dass die Ergebnisse Bestand haben werden, und dass ihr Experiment den Durchbruch zur Ära der Raumtemperatur-Supraleiter darstellt.
Wie lässt sich ein gutes supraleitendes Material finden?
Zurück zu den Berechnungen der TU Wien. Die Forschenden dort haben zusammen mit ihren Kolleginnen und Kollegen aus Japan eine Möglichkeit gefunden, die Sprungtemperatur zu berechnen: „Wo diese Grenze verläuft, konnten wir nun bei einer ganzen Reihe von Materialien berechnen. Mit unseren Computermodellen konnten wir das Phasendiagramm der Nickelat-Supraleitung vorhersagen – und zwar mit hoher Genauigkeit, wie die Experimente dann später zeigten“, sagt Prof. Karsten Held vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien.
Als Laie stellt man es sich nicht ganz so komplex vor, ein Material zu finden, dass sich gut als Supraleiter eignet. In der Praxis sieht es anders aus, ist es doch recht schwierig: Zur Optimierung der Supraleitung können viele verschiedene chemische Elemente in verschiedenen Strukturen kombiniert werden. Dabei können auch geringe Beimengungen anderer Elemente hinzugefügt werden. Es gibt demnach nahezu unendlich viele Kombinationsmöglichkeiten.
„Um passende Kandidaten zu finden, muss man auf quantenphysikalischer Ebene verstehen, wie die Elektronen im Material miteinander wechselwirken“, sagt Prof. Karsten Held. Dabei wurde festgestellt, dass eine optimale Wechselwirkungsstärke der Elektronen existiert. Diese sollte stark sein, aber nicht zu stark, um die höchsten Sprungtemperaturen zu erreichen. Ein goldener Mittelweg zwischen diesen beiden Faktoren ist ausschlaggebend.
Sind Palladate die optimale Lösung?
Durch ihre Simulationen konnten die Forschenden errechnen, dass sich der goldene Zwischenbereich der Wechselwirkung weder mit Cupraten noch mit Nickelaten erreichen lässt. Anders sieht es bei Palladeten aus: „Palladium ist im Periodensystem direkt eine Zeile unter dem Nickel. Die Eigenschaften sind ähnlich, aber die Elektronen sind dort im Durchschnitt etwas weiter vom Atomkern entfernt, die elektronische Wechselwirkung ist daher schwächer“, sagt Karsten Held.
Die Modellrechnungen zeigten, dass man bei Palladaten optimale Sprungtemperaturen erzielen kann. „Die Rechenergebnisse sind sehr vielversprechend“, sagt Karsten Held. „Wir hoffen, dass wir damit nun experimentelle Forschung anstoßen können. Wenn man mit Palladaten nun eine ganz neue, zusätzliche Materialklasse zur Verfügung hat, um Supraleitung besser zu verstehen und noch bessere Supraleiter zu erzeugen, könnte das den gesamten Forschungsbereich nach vorne bringen.“
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