Supraleiter bei Raumtemperatur: So kann der "heilige Gral" gefunden werden

Sie gilt weithin als "Heiliger Gral der Festkörperphysik": Weltweit versuchen sich Forschende an der Realisierung der Raumtemperatur-Supraleitung. Die Suche nach Materialien, die bei diesen Umgebungsbedingungen Strom widerstandslos leiten, ist herausfordernd. Ein Team unter Beteiligung von Christoph Heil von der Technischen Universität (TU) Graz identifiziert im Journal "PNAS" 2 zentrale Hürden, die es zu überwinden gilt, und beschreibt, was es für ein Gelingen braucht. 

"Die Supraleitung bei Raumtemperatur ist wohl die größte Herausforderung in der Physik der kondensierten Materie, deren Lösung erhebliche praktische und kommerzielle Auswirkungen hätte", schreibt das internationale 16-köpfige Autorenteam. Versprechen würde das Auffinden einer solchen etwa verlustfreie Stromübertragung, effizientere Motoren, leistungsfähigere Quantencomputer oder günstigere MRT-Geräte.

Die physikalischen Gesetze per se sprechen keineswegs gegen Raumtemperatur-Supraleitung, so die Autoren. Tatsächlich wurde Supraleitung in so vielen verschiedenen Materialien unter so vielen verschiedenen Bedingungen beobachtet, dass sie wohl schon eine nahezu universelle Eigenschaft nichtmagnetischer Metalle und kein seltenes Phänomen ist. 

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Das stimmt zuversichtlich, einen Raumtemperatur-Supraleiter zu finden. Dabei gehe es um Materialien, die entsprechende Eigenschaften bei einer kritischen Temperatur von mehr als 293 Kelvin bzw. knapp 20 Grad Celsius zeigen, erläuterte Heil gegenüber der APA. Doch es gebe 2 Herausforderungen auf dem Weg zum Durchbruch: eine "Vorhersage-Herausforderung" und eine "Ingenieursherausforderung". 

Über Irrtümer und Errungenschaften 

Dass es kein leichtes Unterfangen ist, zeigte in jüngerer Vergangenheit eindrucksvoll "LK-99". Südkoreanische Forscher stellten 2023 auf dem Preprint-Server "arXiv" in 2 Studien ihr Wundermaterial als einen bei Umgebungsdruck funktionierenden Raumtemperatur-Supraleiter mit einer modifizierten Blei-Apatit-Struktur vor, der bei Temperaturen bis zu etwa 100 Grad Celsius leitet. Anschließende internationale Überprüfungen und Replikationsversuche kamen aber bald zu dem Schluss, dass es sich hier keineswegs um einen Raumtemperatur-Supraleiter handle.

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Als Beleg für jüngere Fortschritte im Bereich Supraleitung verweisen Heil und seine Kollegen in ihrem aktuellen Artikel auf eine zeitgleich in "PNAS" erschienene Begleitstudie: Dass die quecksilberbasierte Verbindung "Hg-1223", seit 1993 Rekordhalter für Supraleitung bei Normaldruck mit einer kritischen Temperatur von 133 Kelvin (etwa minus 140 Grad Celsius), unter extremem Druck eine Phase mit einer kritischen Temperatur von bis zu 151 Kelvin (minus 122 Grad Celsius) annimmt, sei laut dem Grazer Physiker bereits bekannt gewesen. "Diese Hochdruckphase existierte bisher jedoch ausschließlich unter Drücken von bis zum 300.000-fachen des normalen Luftdrucks." 

Forschenden der University of Houston gelang es nun erstmals, diese Phase durch ein Verfahren der Druckabschreckung ("Pressure Quenching") dauerhaft zu stabilisieren. Der bereits mehrfach reproduzierte Zustand blieb etwa 2 Wochen erhalten und stelle "die höchste jemals gemessene Sprungtemperatur bei Umgebungsdruck" dar. Aber viel wichtiger als der Rekordwert ist für Heil, dass die Arbeit hoffen lässt, dies auch bei anderen Systemen anwenden zu können. 

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Herausforderungen bei Konstruktion 

Um bei der Jagd nach dem Raumtemperatur-Supraleiter weiterzukommen, stellen sich 2 Herausforderungen: Die Ingenieursherausforderung adressiert die - in der Begleitstudie auch thematisierte - gezielte Manipulation von Materialien. Supraleitung lässt sich mit verschiedenen "Reglern" steuern bzw. auch verstärken, darunter Druck oder ultrakurze Lichtimpulse. 

Die Autoren sprechen sich dafür aus, potenzielle Supraleiter künftig als "Quanten-Metamaterialien" zu konzipieren. Damit gemeint sind laut dem Grazer Physiker gezielt konstruierte Systeme, bei denen supraleitende Eigenschaften nicht nur über die chemische Zusammensetzung, sondern auch über eine maßgeschneiderte Struktur auf der Nanoskala gesteuert werden, auf der Quanteneffekte eine entscheidende Rolle spielen.

Zugleich habe sich die Fähigkeit, neue Supraleiter vorherzusagen, in den vergangenen Jahren "dramatisch verbessert". Nur seien "die meisten vorhergesagten Materialien experimentell nicht synthetisierbar", heißt es im Artikel mit Blick auf die 2. Herausforderung, die "Vorhersage-Herausforderung". 

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Herausforderung bei Vorhersage

Dafür müssten die computergestützten Modelle noch realistischer werden, meint Heil. Sie müssten nicht nur prognostizieren können, ob ein Material supraleitend werden kann, sondern auch, ob es sich tatsächlich herstellen lässt. Dafür gelte es, große Kombinationen chemischer Elemente systematisch zu durchsuchen, Synthesepfade zu bestimmen und so vielversprechende Kandidaten für industriell herstellbare Supraleiter zu identifizieren. 

"In den letzten Jahren haben wir enorme Fortschritte bei der computergestützten Simulation realistischer Materialien gemacht", so Heil: Kombiniere man diese präzisen Berechnungen gezielt mit maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz, "können wir den riesigen Raum möglicher Materialkombinationen heute viel effizienter und genauer durchsuchen als je zuvor". 

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Braucht Koordination 

"Wir sind überzeugt, dass Raumtemperatur-Supraleitung nur erreichbar ist, wenn man konsequent interdisziplinär denkt und fundamentale Theorie, realistische Simulationen, Materialsynthese, experimentelle Umsetzung sowie moderne Methoden aus der Datenwissenschaft und dem maschinellen Lernen wirklich eng verzahnt", so Heil weiter. 

Der Fortschritt der vergangenen Jahre in all diesen Bereichen habe Werkzeuge und Möglichkeiten geschaffen, die eine viel tiefere und produktivere Zusammenarbeit erlauben als noch vor einem Jahrzehnt. "Es ist aus unserer Sicht unbedingt notwendig, diese Chance gezielt zu nutzen."