Es ist eines der spannendsten Rennen der modernen Physik: Wie können wir die besten Supraleiter herstellen, die auch bei höchstmöglichen Temperaturen und Umgebungsdrücken supraleitend bleiben? In den letzten Jahren hat mit der Entdeckung der Nickelate eine neue Ära der Supraleitung begonnen. Diese Supraleiter basieren auf Nickel, weshalb viele Wissenschaftler vom „Nickelzeitalter der Supraleitungsforschung“ sprechen. Nickelate ähneln in vielerlei Hinsicht den Cupraten, die auf Kupfer basieren und in den 1980er Jahren entdeckt wurden.
Doch jetzt kommt eine neue Materialklasse ins Spiel: In einer Kooperation der TU Wien mit Universitäten in Japan konnte das Verhalten verschiedener Materialien genauer als bisher am Computer simuliert werden.
Es gibt eine „Goldlöckchen-Zone“, in der die Supraleitung besonders gut funktioniert. Und diese Zone wird weder mit Nickel noch mit Kupfer erreicht, wohl aber mit Palladium. Dies könnte ein neues „Palladat-Zeitalter“ in der Supraleitungsforschung einleiten. Die Ergebnisse wurden jetzt im Fachblatt veröffentlicht Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Die Suche nach höheren Übergangstemperaturen
Bei hohen Temperaturen verhalten sich Supraleiter sehr ähnlich wie andere leitende Materialien. Kühlt man sie jedoch unter eine bestimmte kritische Temperatur, verändern sie sich dramatisch: Ihr elektrischer Widerstand verschwindet vollständig und plötzlich können sie Strom verlustfrei leiten. Diese Grenze, bei der ein Material zwischen einem supraleitenden und einem normalleitenden Zustand wechselt, wird als kritische Temperatur bezeichnet.
„Diese kritische Temperatur konnten wir mittlerweile für eine ganze Reihe von Materialien berechnen. Mit unserer Modellierung auf Hochleistungsrechnern konnten wir das Phasendiagramm der Nickelat-Supraleitung mit hoher Genauigkeit vorhersagen, wie die Experimente dann zeigten.“ später“, sagt Prof. Karsten Held vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien.
Viele Materialien werden erst knapp über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C) supraleitend, andere behalten ihre supraleitenden Eigenschaften auch bei viel höheren Temperaturen. Ein Supraleiter, der bei normaler Raumtemperatur und normalem Atmosphärendruck immer noch supraleitend bleibt, würde die Art und Weise, wie wir Strom erzeugen, transportieren und nutzen, grundlegend revolutionieren.
Ein solches Material wurde jedoch noch nicht entdeckt. Dennoch spielen Hochtemperatur-Supraleiter, auch solche aus der Klasse der Cuprate, eine wichtige Rolle in der Technik – etwa bei der Übertragung großer Ströme oder bei der Erzeugung extrem starker Magnetfelder.
Kupfer, Nickel oder Palladium?
Die Suche nach den bestmöglichen supraleitenden Materialien gestaltet sich schwierig: Es kommen viele verschiedene chemische Elemente in Frage. Sie können sie in verschiedenen Strukturen zusammenfügen, Sie können winzige Spuren anderer Elemente hinzufügen, um die Supraleitung zu optimieren. „Um geeignete Kandidaten zu finden, muss man auf quantenphysikalischer Ebene verstehen, wie die Elektronen im Material miteinander wechselwirken“, sagt Prof. Karsten Held.
Dabei zeigte sich, dass es ein Optimum für die Wechselwirkungsstärke der Elektronen gibt. Die Interaktion muss stark, aber auch nicht zu stark sein. Dazwischen befindet sich eine „goldene Zone“, die es ermöglicht, die höchsten Übergangstemperaturen zu erreichen.
Palladate als optimale Lösung
Diese goldene Zone der mittleren Wechselwirkung ist weder mit Cupraten noch mit Nickelaten zu erreichen – dafür kann man mit einem neuartigen Material ins Schwarze treffen: den sogenannten Palladaten. „Palladium steht im Periodensystem direkt eine Zeile unter Nickel. Die Eigenschaften sind ähnlich, aber die Elektronen dort sind im Mittel etwas weiter vom Atomkern und voneinander entfernt, sodass die elektronische Wechselwirkung schwächer ist“, sagt Karsten Held.
Die Modellrechnungen zeigen, wie optimale Übergangstemperaturen für Palladiumdaten erreicht werden können. „Die Rechenergebnisse sind sehr vielversprechend“, sagt Karsten Held. „Wir hoffen, dass wir damit nun experimentelle Forschung anstoßen können. Wenn wir mit Palladaten eine ganz neue, zusätzliche Materialklasse zur Verfügung haben, um die Supraleitung besser zu verstehen und noch bessere Supraleiter zu schaffen, könnte das das gesamte Forschungsfeld voranbringen.“
Mehr Informationen:
Motoharu Kitatani et al, Optimizing Supraconductivity: From Cuprates via Nickelates to Palladates, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.166002