Physiker der Universität Leipzig haben den Mechanismus hinter Supraleitern noch einmal tiefer verstanden. Damit kommt die Forschungsgruppe um Professor Jürgen Haase ihrem Ziel einen Schritt näher, die Grundlagen für eine Theorie für Supraleiter zu entwickeln, die Strom widerstandslos und ohne Energieverlust fließen lassen würde. Die Forscher fanden heraus, dass in supraleitenden Kupfer-Sauerstoff-Bindungen, sogenannten Cupraten, auch unter Druck eine ganz bestimmte Ladungsverteilung zwischen Kupfer und Sauerstoff bestehen muss.
Damit bestätigten sich eigene Erkenntnisse aus dem Jahr 2016, als Haase und sein Team auf Basis der Magnetresonanz eine experimentelle Methode entwickelten, mit der supraleitfähigkeitsrelevante Veränderungen in der Struktur von Materialien gemessen werden können. Sie waren das weltweit erste Team, das einen messbaren Materialparameter identifizierte, der die maximal mögliche Übergangstemperatur vorhersagt – eine Bedingung, die erforderlich ist, um Supraleitung bei Raumtemperatur zu erreichen. Jetzt haben sie entdeckt, dass Cuprate, die unter Druck die Supraleitung verstärken, der 2016 vorhergesagten Ladungsverteilung folgen. Die Forscher haben ihre neuen Erkenntnisse in der Fachzeitschrift veröffentlicht PNAS.
„Die Tatsache, dass sich die Übergangstemperatur von Cupraten unter Druck erhöhen lässt, hat Forscher 30 Jahre lang verwirrt. Aber bis jetzt wussten wir nicht, welcher Mechanismus dafür verantwortlich ist“, sagte Haase. Dem Verständnis des eigentlichen Mechanismus in diesen Materialien sind er und seine Kollegen vom Felix-Bloch-Institut für Festkörperphysik nun ein großes Stück näher gekommen.
„Wir haben an der Universität Leipzig – mit Unterstützung der Graduate School Building with Molecules and Nano-objects (BuildMoNa) – die Grundvoraussetzungen für die Erforschung von Kupraten mittels Kernresonanz geschaffen und mit Michael Jurkutat als erstem Doktoranden zu uns gestoßen. Gemeinsam Wir haben die Leipziger Beziehung aufgestellt, die besagt, dass man in diesen Materialien dem Sauerstoff Elektronen entziehen und an das Kupfer abgeben muss, um die Übergangstemperatur zu erhöhen. Das geht mit Chemie, aber auch mit Druck. Aber kaum jemand hätte gedacht, dass wir das alles mit Kernresonanz messen könnten“, sagte Haase.
Ihr aktuelles Forschungsergebnis könnte genau das sein, was nötig ist, um einen Supraleiter bei Raumtemperatur herzustellen, was viele Physiker seit Jahrzehnten träumen und nun nur noch wenige Jahre dauern sollen, so Haase. Dies ist bisher nur bei sehr niedrigen Temperaturen um minus 150 Grad Celsius und darunter möglich, die auf der Erde nicht leicht zu finden sind. Vor etwa einem Jahr hat eine kanadische Forschergruppe die Erkenntnisse des Teams von Professor Haase aus dem Jahr 2016 mit neu entwickelten, computergestützten Berechnungen verifiziert und damit theoretisch untermauert.
Supraleitung wird bereits heute vielfältig genutzt, beispielsweise in Magneten für MRT-Geräte und in der Kernfusion. Aber es wäre viel einfacher und billiger, wenn Supraleiter bei Raumtemperatur betrieben würden. Das Phänomen der Supraleitung wurde bereits 1911 in Metallen entdeckt, aber selbst Albert Einstein versuchte damals nicht, eine Erklärung dafür zu finden. Fast ein halbes Jahrhundert verging, bis die BCS-Theorie 1957 ein Verständnis der Supraleitung in Metallen ermöglichte. 1986 warf die Entdeckung der Supraleitung in keramischen Materialien (Cuprat-Supraleiter) bei viel höheren Temperaturen durch die Physiker Georg Bednorz und Karl Alexander Müller neue Fragen auf, aber auch weckten Hoffnungen, dass Supraleitung bei Raumtemperatur erreicht werden könnte.
Mehr Informationen:
Michael Jurkutat et al, Wie Druck die kritische Temperatur der Supraleitung in YBa 2 Cu 3 O 6+ y erhöht, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2215458120