Von verlustfreier Stromversorgung zu Quantencomputern: Supraleitung bei Zimmertemperatur

Eine epochale Wende versprechen sich Forschende zum Beispiel von Materialien, die Strom bei Zimmertemperatur verlustfrei leiten. Solch extreme Hochtemperatur-Supraleiter würden eine technologische Revolution bedeuten: Die möglichen Anwendungen reichen von verlustfreiem Stromtransport für eine nachhaltige Energieversorgung bis zu hochempfindlichen Sensoren, extrem schnellen Schaltern für die Datenverarbeitung oder völlig neuen Möglichkeiten der Informationsverarbeitung in Quantencomputern.  Supraleiter sind Materialien, die Elektronen ohne jeden Widerstand leiten. Möglich machen das spezielle Elektronenzustände im Kristallgitter dieser Materialien. Das Problem: Bei konventionellen Supraleitern ist diese verlustfreie Leitung erst bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt möglich. Sie müssen mit flüssigem Helium auf Temperaturen weit unter -200 Grad Celsius gekühlt werden, um ihre supraleitende Funktionalität zu zeigen. Dies ist mit hohem Aufwand und hohen Kosten verbunden. Forschungsgruppen auf der ganzen Welt suchen daher nach Materialien, die bereits bei Zimmertemperatur supraleitend werden.

Dazu zählen etwa spezielle kupfer- oder eisenhaltige Verbindungen. Den aktuellen Wärmerekord supraleitender Materialien hat eine internationale Forschungsgruppe im Jahr 2019 für metallisches Lanthanhydrid bei erstaunlichen -23 Grad Celsius aufgestellt – ein Rekord, aber immer noch nicht alltagstauglich. Die Forschenden mussten dafür einen fast 200 Millionen Mal höheren Druck als den uns umgebenden Luftdruck künstlich erzeugen.

Funktionale Materialien maßschneidern

Trotz intensiver Forschung war es bisher vor allem Zufall, wenn Fachleute auf neue Hochtemperatur-Supraleiter gestoßen sind. Denn  der Zusammenhang zwischen dieser exotischen Eigenschaft und der chemischen Struktur dieser Materialien ist noch unklar. Expertinnen und Experten wissen nicht, warum einige Verbindungen unter bestimmten Bedingungen supraleitend werden und andere nicht. Heutige Experimente können bei den Untersuchungen nur begrenzt helfen: Bereits die Analyse eines einzelnen Materials bedeutet enormen Aufwand und kann lokale Phänomene nur bis auf etwa einen Mikrometer unterscheiden.

Die zukünftigen Messmöglichkeiten mit  PETRA IV lassen einen entscheidenden Fortschritt erwarten: Sie machen erstmals die  lokale elektronische Struktur in Hochtemperatur- Supra leitern auf der Nanoskala sichtbar – und könnten so aufdecken, wie ein Material beschaffen sein muss, damit die kritische Temperatur  für Supra leitung sich der Null-Grad-Marke oder gar Zimmer temperatur annähert. Gelingt dies,  so ließen sich gezielt neue Hochtemperatur Supraleiter für die breite Anwendung entwickeln.