Neue Forschung macht Hoffnung auf Supraleitung bei Raumtemperatur

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Schwebende Züge, hocheffiziente Energiespeicher und Quantencomputer: Supraleitung könnte viele Zukunftstechnologien ermöglichen. Doch es gibt eine entscheidende Hürde: Die meisten Supraleiter funktionieren nur bei extrem niedrigen Temperaturen. Das macht praktische Anwendungen im großen Maßstab aufwendig und teuer. Ein Forschungsteam unter Leitung von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der LMU München und der Universitäten Utrecht und Leiden hat nun neue Erkenntnisse zu einer zentralen Voraussetzung für Supraleitung bei Raumtemperatur gewonnen. Die heute im renommierten Fachmagazin Science veröffentlichten Ergebnisse bringen die Forschung dem Verständnis, wie dies gelingen könnte, einen Schritt näher.

Wer einen Toaster einschaltet, lässt Strom durch einen Metalldraht fließen. Der Draht erhitzt sich, bis er rot glüht und das Brot röstet. Das geschieht, weil der Draht dem Stromfluss einen elektrischen Widerstand entgegensetzt und dabei elektrische Energie in Wärme umwandelt.

Beim Toaster ist genau das erwünscht. Bei den meisten anderen Anwendungen ist elektrischer Widerstand dagegen ein Nachteil. Beim Laden eines Smartphones etwa geht dadurch wertvolle Energie als Wärme verloren.

Extrem niedrige Temperaturen

Supraleitung bietet einen Ausweg aus diesem Problem. Bei diesem physikalischen Phänomen leiten bestimmte Materialien elektrischen Strom völlig ohne Widerstand. Der Haken: Die meisten Supraleiter funktionieren nur bei extrem niedrigen Temperaturen. Viele Materialien müssen dafür mithilfe von flüssigem Helium auf etwa -260 °C gekühlt werden. Das ist energieaufwendig und teuer.

Frühe Entdeckungen

Die Supraleitung wurde 1911 entdeckt. Mitte der 1980er-Jahre gelang ein weiterer Durchbruch: Forschende fanden Materialien, die bereits bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden - allerdings lagen diese immer noch bei etwa -173 °C.

Dabei gab es jedoch ein Problem: Die Theorie, die die konventionelle Supraleitung bei tiefen Temperaturen erklärt, konnte diese neue Form der Supraleitung nicht beschreiben. Bis heute ist nicht vollständig verstanden, wie sie funktioniert.

„Zu verstehen, wie Supraleitung in diesen Materialien entsteht, gehört zu den großen ungelösten Problemen der Physik“, sagt Milan Allan, Professor für Experimentelle Physik - Quantenmetrologie und -sensorik und einer der Leiter des Forschungsprojekts. „Und solange wir sie nicht verstehen, können wir die Materialien auch nicht gezielt für technische Anwendungen verbessern.“

Ein möglicher neuer Weg

Mit der neuen Studie konnte das Team, an dem auch Forschende aus Leiden, Utrecht und Brookhaven beteiligt sind, einen Teil dieses Rätsels entschlüsseln. Die Ergebnisse liefern neue Einblicke in die Funktionsweise der Hochtemperatursupraleitung. Jiasen Niu, Postdoktorand an der LMU und einer der Erstautoren der Studie, sieht darin neue Hoffnung auf Supraleitung bei höheren Temperaturen: „Wir haben nun die Hindernisse identifiziert, die der Supraleitung bei höheren Temperaturen im Weg stehen.“

Tanzende Paare

Für Supraleitung müssen zwei wesentliche Voraussetzungen erfüllt sein: Elektronen müssen sich zu sogenannten Cooper-Paaren zusammenschließen, und diese Paare müssen sich synchron bewegen können. Man kann sich das wie zehn Paare auf einer Tanzfläche vorstellen: Es reicht nicht, dass jedes Paar für sich gemeinsam tanzt. Alle Paare müssen sich auch im selben Takt bewegen.

In konventionellen Supraleitern bilden sich die Elektronenpaare und ihre kollektive Abstimmung bei derselben Temperatur aus. Die neue Studie deutet darauf hin, dass dies bei Hochtemperatursupraleitern anders ist. Hier scheinen Elektronen bereits bei Temperaturen Paare zu bilden, die deutlich über der Temperatur liegen, bei der die Supraleitung einsetzt. Warum werden diese Materialien also nicht schon bei diesen höheren Temperaturen supraleitend? Dieser Frage geht das Team in Allans Labor an der LMU derzeit nach.

Neue Messtechnik

Möglich wurde die Forschung durch ein neues Messgerät, das die Forschenden selbst entwickelt und gebaut haben. „Das Schöne daran, neue Instrumente zu bauen, ist, dass man Dinge messen kann, die sonst niemand messen kann. So gewinnt man Einblicke, die zuvor verborgen waren“, sagt Maialen Ortego Larrazabal, die während ihrer Promotion wichtige Teile des Geräts gebaut hat. Mit diesem Instrument konnte das Team zwischen elektrischem Strom unterscheiden, der von einzelnen Elektronen getragen wird, und solchem, der von Elektronenpaaren getragen wird. So ließ sich untersuchen, wann und wie sich Elektronenpaare im Material bilden.