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Supraleiter Dem supraleitenden Material bei Raumtemperatur auf der Spur

| Redakteur: Stefanie Michel

Ein Material zu finden, das sich auch bei Raumtemperatur als Supraleiter verhält, wäre ein wissenschaftlicher Durchbruch. Dann wären ganz neue Antriebe und elektrische Geräte möglich, die kaum Energie verbrauchen würden. Die TU Wien ist der Antwort nun einen Schritt nähergekommen.

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Forscher Neven Barišic und sein Team wollen Cuprate besser verstehen, um noch bessere Supraleiter entwickeln zu können.
Forscher Neven Barišic und sein Team wollen Cuprate besser verstehen, um noch bessere Supraleiter entwickeln zu können.
(Bild: TU Wien)

Jedes gewöhnliche Kabel, jeder Draht, jedes elektronische Bauteil hat einen gewissen elektrischen Widerstand. Es gibt allerdings spezielle supraleitende Materialien mit der besonderen Fähigkeit, elektrischen Strom mit einem Widerstand von exakt null zu transportieren – zumindest bei sehr niedrigen Temperaturen. Hätte man ein Material, das sich auch bei Raumtemperatur so verhält, wären viele ganz neue Anwendungen möglich – von schwebenden Hochgeschwindigkeitszügen bis hin zu neuen bildgebenden Verfahren für die Medizin.

Die Suche nach solchen Hochtemperatur-Supraleitern ist allerdings extrem schwierig, weil viele der Quanteneffekte, die mit der Supraleitung in Zusammenhang stehen, noch nicht gut verstanden sind. Professor Neven Barišic vom Institut für Festkörperphysik an der TU Wien experimentiert mit Cupraten, einer Materialklasse, die bei Normaldruck bis zu einer Temperatur von 140 Kelvin (-133 °C) supraleitend bleibt. Damit sind Cuprate bis heute die Rekordhalter. Barišic und seinem Team gelang es nun, neue Resultate zu erzielen und neue Ideen vorzustellen, durch die sich die Art, wie man über komplexe Materialien und Hochtemperatur-Supraleitung denkt, völlig verändern soll.

Zur Originalveröffentlichung „Unusual behavior of cuprates explained by heterogeneous charge localization“

Herausforderung: Material, das bei Raumtemperatur supraleitend bleibt

Neven Barišic: „Es gibt durchaus einige Materialien, die supraleitendes Verhalten bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes zeigen, und bei manchen verstehen wir sogar, warum das so ist. Aber die wirkliche Herausforderung ist es, Supraleitung in Cupraten zu verstehen, wo sie bei viel höheren Temperaturen bestehen bleibt. Ein Material, das bei Raumtemperatur supraleitend bleibt, wäre gewissermaßen der Heilige Gral der Festkörperphysik, und dem kommen wir näher und näher.“

Barišic konnte mit seinem Team nun zeigen, dass es in Cupraten zwei fundamental unterschiedliche Ladungsträger gibt. Manche sind im Material lokalisiert, jeder von ihnen sitzt an ganz bestimmten Atomen und kann sich nur wegbewegen, wenn das Material aufgeheizt wird. Andere hingegen sind mobil und können von einem Atom zum anderen springen. Diese mobilen Ladungsträger sind es, die supraleitend werden, aber die Supraleitung lässt sich nur erklären, wenn man auch die immobilen Ladungsträger berücksichtigt.

„Es gibt eine Wechselwirkung zwischen den beweglichen und den unbeweglichen Ladungsträgern, durch die sich die Energie des Systems verändert“, sagt Barišic. „Die unbeweglichen Ladungsträger wirken als Klebstoff und binden Paare von mobilen Ladungsträgern aneinander, die sogenannte Cooper-Paare bilden. Die Bildung von Ladungsträger-Paaren ist die Grundidee hinter klassischen Supraleitern. Erst wenn die Ladungsträger gepaart werden, können sie supraleitend werden und das Material transportiert die Ladung ohne jede Streuung und ohne jeden Widerstand.“

Verstehen, wie Supraleitung entsteht

Das bedeutet, dass man die Zahl von mobilen und immobilen Ladungsträgern sorgfältig ausbalancieren muss, um Supraleitung zu erhalten. Ein Zuviel oder Zuwenig lokalisierter oder mobiler Ladungsträger schwächt die Supraleitung oder lässt sie zusammenbrechen. Dazwischen gibt es einen optimalen Bereich, in dem die Supraleitung bis hin zu bemerkenswert hohen Temperaturen erhalten bleibt. Doch wie ändert sich diese Balance zwischen mobilen und immobilen Ladungsträgern kontinuierlich, abhängig von der Temperatur oder der Dotierung des Materials mit anderen Atomen?

„Wir haben viele unterschiedliche Experimente mit Cupraten durchgeführt. Nun können wir ein umfassendes phänomenologisches Bild der Supraleitung in Cupraten präsentieren“, sagt Neven Barišic. Es konnte nachgewiesen werden, dass Supraleitung graduell entstehen kann – ein wichtiger Schritt in Richtung des Ziels, Cuprate zu verstehen und noch bessere Supraleiter zu entwickeln.

Wenn es möglich wird, Materialien zu erzeugen, die auch bei Raumtemperatur noch supraleitend bleiben, hätte das weitreichende Konsequenzen für unsere Technologie. Man könnte elektronische Geräte bauen, die kaum noch elektrische Energie verbrauchen würden.

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