Hochtemperatur-Supraleiter: Lutetiumverbindung ist bei Raumtemperatur supraleitend

Mit Seltenerdmetallen entwickeln Forscher neue Supraleiter. Die funktionieren bei Raumtemperatur, aber ein Problem bleibt.

Artikel veröffentlicht am 14. März 2023, 11:47 Uhr, Johannes Hiltscher

Der Dampf verrät: Dieser Supraleiter funktioniert nur gut gekühlt. (Bild: U.S. Department of Energy)

An der Bedeutsamkeit der jüngsten Ergebnisse seiner Forschungsgruppe lässt Ranga Dias keine Zweifel aufkommen: "Die Ära der Hochtemperatursupraleitung hat begonnen", fasst er ihre Arbeit an der University of Rochester im US-Bundesstaat New York zusammen. Das von der Gruppe synthetisierte Material namens NDLH ist bei knapp 21 °C (294 K) supraleitend, publiziert wurden die Ergebnisse im Magazin Nature.

NDLH steht für stickstoffdotiertes Lutetiumhydrid (Nitrogen Doped Lutetium Hydride). Auch wenn das physikalische Prinzip von Hochtemperatur-Supraleitern noch nicht verstanden ist, haben sich Hydride von Seltenerdmetallen, zu denen Lutetium gehört, als vielversprechende Kandidaten erwiesen. Ihr regelmäßiges Kristallgitter schließt die Wasserstoffatome ein, die für die Supraleitung verantwortlich gemacht werden. Der Stickstoff verbessert noch einmal den Einschluss, das Material wird unter milderen Bedingungen supraleitend.

Alltagstauglich ist allerdings auch NDLH noch nicht. Denn Supraleitung erfordert noch immer recht extreme Bedingungen: Entweder niedrige Temperatur oder hohen Druck.

Unter Druck entstehen Supraleiter

Damit NDLH bei Raumtemperatur supraleitend wird, ist ein Druck von 10 kBar (1 GPa) erforderlich. Der lässt sich nur erreichen, wenn die Materialprobe in einer Diamantstempelzelle zwischen zwei Diamanten zusammengedrückt wird.

Unter Druck verändert sich das Kristallgitter des Materials, was eine Veränderung der physikalischen Eigenschaften nach sich zieht. Das zeigt sich an einer Farbveränderung, das ursprünglich blaue Material wird zunächst pink, dann blutrot. Schlagartig setzt dann die Supraleitung ein. Von dem spektakulären Farbspiel hat die Gruppe ein Video veröffentlicht. Aufgrund der intensiven roten Farbe setzte sich in der Gruppe der Name Reddmatter in Anlehnung an das Material Red Matter aus dem Star-Trek-Universum durch.

Auch wenn der benötigte Druck noch weit vom normalen Atmosphärendruck entfernt ist, stellt die Arbeit einen großen Fortschritt dar: Andere Materialien, zu denen auch Dias bereits zuvor publiziert hatte, benötigen deutlich höhere Drücke. Außerdem stellt Dias klar: Beim Strecken von Silizium in der Halbleiterfertigung etwa entstünden noch höhere Drücke. Die Vielzahl möglicher Materialien lässt zudem viel Freiraum für weitere Verbesserungen.