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Der Rekord für Hochtemperatur-Supraleitung wurde erneut gebrochen
Supraleitung ist das seltsame Phänomen des elektrischen Nullwiderstands, das auftritt, wenn einige Materialien unter eine kritische Temperatur abgekühlt werden. Die besten Supraleiter müssen mit flüssigem Helium oder Stickstoff gekühlt werden, damit sie kalt genug werden (oft bis zu -250 °C oder -480 F), um zu funktionieren. Der heilige Gral für Forscher ist die Idee, dass ein Material bei etwa 0 °C supraleitend gemacht werden könnte – die sogenannte Raumtemperatur-Supraleitung. Wenn so etwas jemals entdeckt würde, würde es eine breite Palette neuer Technologien freisetzen, einschließlich superschneller Computer und Datenübertragung.
Die Geschichte der Supraleitung ist übersät mit zweifelhaften Behauptungen über Hochtemperaturaktivitäten, die sich später als unmöglich zu reproduzieren herausstellen. Tatsächlich haben Physiker einen Namen dafür: USOs oder nicht identifizierte supraleitende Objekte.
Daher müssen neue Behauptungen über Hochtemperatur-Supraleitung mit Vorsicht behandelt werden. Allerdings ist die heutige Nachricht, dass der Rekord für Hochtemperatur-Supraleitung gebrochen wurde, eine genauere Betrachtung wert.
Die Arbeit stammt aus dem Labor von Mikhail Eremets und Kollegen am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz, Deutschland. Eremets und seine Kollegen sagen, dass sie die Supraleitung von Lanthanhydrid (LaH10) bei der schwülen Temperatur von 250 K oder –23 °C beobachtet haben.
Das ist wärmer als die aktuelle Temperatur am Nordpol. Unsere Studie macht einen Sprung nach vorn auf dem Weg zur Supraleitung bei Raumtemperatur, sagt das Team. (Die Einschränkung ist, dass die Probe unter enormem Druck stehen muss: 170 Gigapascal oder etwa die Hälfte des Drucks im Erdmittelpunkt.)
Eremets hat auf diesem Gebiet einen ziemlich beeindruckenden Stammbaum. Langjährige Leser dieses Blogs wird sich erinnern, als er 2014 den bisherigen Rekord für Hochtemperatur-Supraleitung brach . Bei dieser Gelegenheit konnte sein Team die supraleitende Aktivität in Schwefelwasserstoff bei –80 °C messen, etwa 10 Grad wärmer als bei jedem anderen Material. Später erhöhte er die Temperatur auf –70 °C und veröffentlichte die Arbeit mit großem Erfolg in Nature.
Aber die umwerfende Überraschung für die Physiker war die Natur des supraleitenden Materials.
Die Supraleitung ist in konventionellen Supraleitern gut verstanden, bei denen es sich um starre Gitter aus positiven Ionen handelt, die in einem Ozean aus Elektronen gebadet sind. Elektrischer Widerstand tritt auf, wenn Elektronen, die sich durch das Gitter bewegen, verlangsamt werden, indem sie darauf stoßen, während Supraleitung auftritt, wenn das Gitter auf einen Punkt abgekühlt wird, an dem es steif genug wird, damit mechanische Schallwellen oder Phononen durch es hindurchlaufen können. Diese Wellen verformen das Gitter auf ihrem Weg. Und auf dieser Verformung können Elektronen surfen.
Tatsächlich verbinden sich die Elektronen bei niedriger Temperatur zu sogenannten Cooper-Paaren. Und es sind diese Cooper-Paare, die durch das Gitter surfen, das die Supraleitung ausmacht.
Mit steigender Temperatur brechen die Cooper-Paare auseinander und die Supraleitung hört auf. Diese Änderung tritt bei der sogenannten kritischen Temperatur auf.
Vor 2014 lag die höchste kritische Temperatur für diese Art der Supraleitung bei etwa 40 K oder –230 °C. Tatsächlich hielten es viele Physiker für unmöglich, dass diese Art der Supraleitung bei höheren Temperaturen funktioniert.
Deshalb war die Ankündigung von Eremets so außergewöhnlich – Schwefelwasserstoff ist ein herkömmlicher Supraleiter, der sich auf eine Weise verhält, die viele Menschen für unmöglich hielten.
(1986 entdeckten Physiker eine ganz andere Form der Supraleitung in keramischen Materialien bei 180 K oder –90 °C. Dies ist immer noch nicht gut verstanden, und es wurden nur geringe Fortschritte bei der Erhöhung der Temperatur erzielt.)
Die Entdeckung von Eremets löste einen fieberhaften Anfall theoretischer Aktivitäten aus, um zu erklären, wie die Supraleitung zustande kommt. Konsens besteht darin, dass Wasserstoffionen in Schwefelwasserstoff ein Gitter bilden, das Cooper-Paare widerstandslos transportiert, wenn die Temperatur unter ein kritisches Niveau fällt.
Dies kann bei hoher Temperatur passieren, weil Wasserstoff so leicht ist. Das bedeutet, dass das Gitter mit hoher Geschwindigkeit und daher mit hoher Temperatur schwingen kann. Aber das Gitter muss auch fest an Ort und Stelle gehalten werden, damit die Vibrationen es nicht auseinanderreißen. Deshalb funktioniert die Supraleitung nur bei hohem Druck.
Seitdem wurde viel theoretische und rechnerische Arbeit geleistet, um andere Materialien vorherzusagen, die bei hohen Temperaturen auf diese Weise supraleitend sein könnten. Einer der wahrscheinlichen Kandidaten war Lanthanhydrid, an dem Eremets und Co gearbeitet haben.
Die Entdeckung, dass es bei 250 K supraleitend ist, ist nicht nur ein Sieg für Eremets und sein Team, sondern auch für die theoretischen Methoden, die es vorhergesagt haben. Dieser Sprung um ~ 50 K gegenüber dem vorherigen Rekord von 203 K weist auf die reale Möglichkeit hin, in naher Zukunft Supraleitung bei Raumtemperatur (d.h. bei 273 K) bei hohen Drücken zu erreichen, sagen Eremets und Co.
Es steht aber noch einiges an Arbeit bevor. Physiker benötigen drei separate Beweise, um davon überzeugt zu sein, dass Supraleitung tatsächlich stattfindet. Der erste ist der charakteristische Widerstandsabfall bei sinkender Temperatur. Eremets hat das.
Die zweite besteht darin, die Elemente in der Probe durch schwerere Isotope zu ersetzen. Dadurch schwingt das Gitter unterschiedlich schnell und verändert die kritische Temperatur entsprechend. Auch Eremets und Co. haben diesen Beweis, nachdem sie den Wasserstoff in ihren Proben durch Deuterium ersetzt und beobachtet haben, wie die kritische Temperatur wie erwartet auf 168 K abgefallen ist.
Der dritte Beweisstrang wird als Meissner-Effekt bezeichnet: Ein Supraleiter sollte jedes Magnetfeld ausstoßen. Hier haben Eremets und Co. gekämpft. Ihre Proben sind so klein – nur wenige Mikrometer im Durchmesser und sitzen in Hochdruck-Diamantstempelzellen –, dass die Forscher dies noch nicht direkt messen konnten, obwohl sie einige andere magnetische Beweise haben.
Ohne diese letzte Unterschrift könnten Physiker ihre volle Umarmung verweigern. Aber es ist sicherlich etwas, woran das Team hart arbeitet.
In der Zwischenzeit eröffnet die Arbeit einige offensichtliche andere Wege, die es zu verfolgen gilt. Die Rechenmodelle deuten darauf hin, dass Yttrium-Superhydride bei Temperaturen über 300 K – wirklich Raumtemperatur – supraleitend sein könnten (allerdings nur bei Drücken, die üblicherweise im Erdmittelpunkt zu finden sind).
Daher sind Raumtemperatur-Supraleiter in der einen oder anderen Form möglicherweise nicht weit entfernt. Die Frage wird dann sein, wie man sie am besten ausnutzt.
Ref: arxiv.org/abs/1812.01561 : Supraleitung bei 250 K in Lanthanhydrid unter Hochdruck