Wissenschaftler haben ein mysteriöses Material geschaffen, das Strom bei Temperaturen von bis zu etwa 15 ° C widerstandslos zu leiten scheint. Das Material selbst ist wenig verstanden, aber es zeigt das Potenzial einer Klasse von Supraleitern, die 2015 entdeckt wurden.Der Supraleiter hat jedoch eine gravierende Einschränkung: Er überlebt nur unter extrem hohen Drücken, die sich denen im Erdmittelpunkt nähern, was bedeutet, dass er keine unmittelbaren praktischen Anwendungen haben wird. Dennoch hoffen Physiker, dass es den Weg für die Entwicklung von Null-Widerstand-Materialien ebnen könnte, die bei niedrigeren Drücken funktionieren können.Supraleiter haben eine Reihe von technologischen Anwendungen, von Magnetresonanztomographen bis hin zu Mobilfunkmasten, und Forscher beginnen, mit ihnen in Hochleistungsgeneratoren für Windkraftanlagen zu experimentieren. Ihre Nützlichkeit ist jedoch immer noch durch die Notwendigkeit sperriger Kryotechnik begrenzt. Übliche Supraleiter arbeiten bei atmosphärischem Druck, jedoch nur, wenn sie sehr kalt gehalten werden. Selbst die anspruchsvollsten – keramische Materialien auf Kupferoxidbasis – arbeiten nur unter 133 Kelvin (-140 ° C). Supraleiter, die bei Raumtemperatur arbeiten, könnten einen großen technologischen Einfluss haben, zum Beispiel in Elektronik, die schneller läuft, ohne zu überhitzen.

Die neueste Studie, die am 14.Oktober in Nature veröffentlicht wurde1, scheint überzeugende Beweise für die Hochtemperaturleitfähigkeit zu liefern, sagt der Physiker Mikhail Eremets vom Max-Planck—Institut für Chemie in Mainz – obwohl er hinzufügt, dass er gerne mehr „Rohdaten“ aus dem Experiment sehen würde. Er fügt hinzu, dass es eine Linie der Arbeit bestätigt, die er im Jahr 2015 begann, als seine Gruppe berichtet2 der erste Hochdruck-Hochtemperatur-Supraleiter — eine Verbindung aus Wasserstoff und Schwefel, die bis zu -70 ° C keinen Widerstand hatte.

Im Jahr 2018 wurde gezeigt, dass eine Hochdruckverbindung aus Wasserstoff und Lanthan3 bei -13 ° C supraleitend ist. Aber das neueste Ergebnis markiert das erste Mal, dass diese Art von Supraleitung in einer Verbindung aus drei Elementen zwei – das Material besteht aus Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff. Das Hinzufügen eines dritten Elements erweitert die Kombinationen, die in zukünftigen Experimenten auf der Suche nach neuen Supraleitern enthalten sein können, erheblich, sagt Studienkoautor Ashkan Salamat, Physiker an der University of Nevada, Las Vegas. „Wir haben eine ganz neue Region der Exploration eröffnet“, sagt er.Materialien, die bei hohen, aber nicht extremen Drücken supraleitend sind, könnten bereits eingesetzt werden, sagt Maddury Somayazulu, ein Hochdruck-Materialwissenschaftler am Argonne National Laboratory in Lemont, Illinois. Die Studie zeigt, dass man durch „umsichtige Auswahl des dritten und vierten Elements“ in einem Supraleiter den Betriebsdruck im Prinzip senken könne.Die Arbeit bestätigt auch jahrzehntelange Vorhersagen des theoretischen Physikers Neil Ashcroft von der Cornell University in Ithaca, New York, dass wasserstoffreiche Materialien bei Temperaturen supraleiten könnten, die viel höher sind, als für möglich gehalten wurde. „Ich denke, es gab sehr wenige Leute außerhalb der Hochdruckgemeinschaft, die ihn ernst nahmen“, sagt Somayazulu.

Mysteriöses Material

Der Physiker Ranga Dias von der University of Rochester in New York platzierte zusammen mit Salamat und anderen Mitarbeitern eine Mischung aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Schwefel in einer mikroskopischen Nische, die sie zwischen die Spitzen von zwei Diamanten geschnitzt hatten. Anschließend lösten sie mit Laserlicht chemische Reaktionen in der Probe aus und beobachteten, wie sich ein Kristall bildete. Als sie die experimentelle Temperatur senkten, fiel der Widerstand gegen einen durch das Material fließenden Strom auf Null, was darauf hinweist, dass die Probe supraleitend geworden war. Dann erhöhten sie den Druck und stellten fest, dass dieser Übergang bei immer höheren Temperaturen auftrat. Ihr bestes Ergebnis war eine Übergangstemperatur von 287,7 Kelvin bei 267 Gigapascal — 2,6 Millionen Mal Atmosphärendruck auf Meereshöhe.

Die Forscher fanden auch Hinweise darauf, dass der Kristall sein Magnetfeld bei der Übergangstemperatur austrieb, ein entscheidender Test für die Supraleitung. Aber viel über das Material bleibt unbekannt, warnen Forscher. „Es gibt viel zu tun“, sagt Eremets. Selbst die genaue Struktur und chemische Formel des Kristalls sind noch nicht verstanden. „Wenn Sie zu höheren Drücken gehen, wird die Probengröße kleiner“, sagt Salamat. „Das macht diese Art von Messungen wirklich herausfordernd.“

Hochdrucksupraleiter aus Wasserstoff und einem anderen Element sind gut verstanden. Und Forscher haben Computersimulationen von Hochdruckgemischen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Schwefel durchgeführt, sagt Eva Zurek, Computerchemikerin an der State University of New York in Buffalo. Aber sie sagt, dass diese Studien die außergewöhnlich hohen supraleitenden Temperaturen, die von Dias ‚Gruppe gesehen werden, nicht erklären können. „Ich bin sicher, dass nach der Veröffentlichung dieses Manuskripts viele theoretische und experimentelle Gruppen sich mit diesem Problem befassen werden“, sagt sie.