Durchbruch bei Hochtemperatur-Supraleitern: Forscher messen entscheidende Energielücke in Schwefelwasserstoff
Ida Bloch
Durchbruch bei Hochtemperatur-Supraleitern: Forscher messen entscheidende Energielücke in Schwefelwasserstoff
Forscher haben einen wichtigen Fortschritt im Verständnis von Hochtemperatur-Supraleitern erzielt, indem sie eine zentrale Eigenschaft von Schwefelwasserstoff (H₃S) gemessen haben. Der Durchbruch gelang mithilfe einer speziellen Technik, der sogenannten durchstimmbaren Elektronentunnel-Spektroskopie. Diese Methode ermöglichte es den Wissenschaftlern, das Material unter extremem Druck zu untersuchen – genau unter den Bedingungen, unter denen es ungewöhnlich hohe Supraleitungstemperaturen aufweist.
Die Erkenntnisse umfassen auch Messungen an Deuteriumsulfid (D₃S), einer ähnlichen Verbindung mit einer leicht abweichenden Atomstruktur. Beide Materialien verlieren bei Abkühlung ihren gesamten elektrischen Widerstand, doch ihr Verhalten unter Druck war bisher nur schwer zu analysieren.
Supraleiter sind Stoffe, die Strom ohne jeden Widerstand leiten und daher für Energietechnologien von großem Wert sind. Die meisten funktionieren jedoch nur bei extrem tiefen Temperaturen. Wasserstoffreiche Supraleiter wie H₃S und D₃S brechen dieses Muster: Sie bleiben auch bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend – allerdings nur, wenn sie unter immensen Druck gesetzt werden.
Die Forscher entwickelten eine neue Form der Elektronentunnel-Spektroskopie, um die supraleitende Energielücke in diesen Materialien zu messen. Diese Lücke ist ein entscheidendes Merkmal, das zeigt, wie sich Elektronen paaren, um den widerstandsfreien Stromfluss zu ermöglichen. Bei H₃S betrug die Lücke etwa 60 Millielektronenvolt (meV), bei D₃S rund 44 meV. Der Unterschied stützt die Theorie, dass Schwingungen im Atomgitter (Phononen) eine zentrale Rolle für die Supraleitung spielen.
Die Studie untersuchte zudem weitere wasserstoffreiche Supraleiter unter extremen Bedingungen, darunter Lanthan-Dekahydrid (LaH₁₀), das bei 250–260 Kelvin und Drücken von 170–200 Gigapascal (GPa) supraleitend wird, sowie Yttrium-Hydride (YH₆–YH₉), die bei etwa 180 GPa Supraleitung bis zu 243 Kelvin erreichen. Den aktuellen Rekord für Hochtemperatur-Supraleitung hält jedoch kohlenstoffhaltiges Schwefelhydrid (CSH) mit 288 Kelvin bei 267 GPa.
Die Fähigkeit, diese Energielücken unter solchen extremen Bedingungen zu messen, stellt einen bedeutenden Fortschritt dar. Sie liefert tiefere Einblicke darin, wie diese Materialien Supraleitung bei Temperaturen erreichen, die weit über denen herkömmlicher Supraleiter liegen – einige sogar über dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff.
Die Entdeckung der supraleitenden Energielücke in H₃S und D₃S bestätigt Theorien über die Wechselwirkung von Elektronen und Phononen in Hochtemperatur-Supraleitern. Solche Materialien könnten eines Tages zu effizienteren Systemen für Energieübertragung und -speicherung führen. Ihre praktische Nutzung hängt jedoch davon ab, die Herausforderung zu meistern, den erforderlichen Extremdruck auch außerhalb von Laborbedingungen aufrechtzuerhalten.
