Supraleitern, die bei Umgebungstemperaturen funktionieren, können weitreichende Anwendungen haben, von Magnetschwebebahnen, Kernfusionsreaktoren, Quantencomputern und vielem mehr.

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Durchbruch bei Entwicklung supereffizienter elektrischer Energie Nach fast 40 Jahren: Geheimnis der Hochtemperatur-Supraleiter gelöst

28.09.2022

Forscher des University College Cork und der University of Oxford haben eines der größten ungelösten Probleme der modernen Physik geknackt, welches seit fast 40 Jahren ungelöst ist. Die neue Entdeckung könnte den Weg für die Entwicklung von supraleitenden Materialien für Raumtemperaturen ebnen.

Anfang September hat ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Séamus Davis, Professor für Quantenphysik am University College Cork und an der Universität Oxford, Ergebnisse bekannt gegeben, die den atomaren Mechanismus hinter Hochtemperatur-Supraleitern offenlegen.

Potenzielle Revolution in Energietransport und Energiespeicherung

Supraleiter sind Materialien, die Elektrizität widerstandslos leiten können, so dass ein elektrischer Strom unendlich lange anhalten kann. Sie werden bereits in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, zum Beispiel in Kernspintomographen und Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahnen. Für die Supraleitung sind jedoch in der Regel extrem niedrige Temperaturen erforderlich, was ihre breite Anwendung einschränkt. Ein wichtiges Ziel der physikalischen Forschung ist die Entwicklung von Supraleitern, die bei Umgebungstemperaturen funktionieren, was den Energietransport und die Energiespeicherung revolutionieren könnte.

Bestimmte Kupferoxid-Materialien zeigen Supraleitfähigkeit bei höheren Temperaturen als herkömmliche Supraleiter, doch der Mechanismus, der dahinter steckt, ist seit ihrer Entdeckung im Jahr 1987 unbekannt geblieben.

Neue Mikroskopietechniken

Um dies zu untersuchen, hat ein internationales Team, an dem Wissenschaftler aus Oxford, Cork in Irland, den USA, Japan und Deutschland beteiligt sind, zwei neue Mikroskopietechniken entwickelt. Mit der ersten wurde der Energieunterschied zwischen den Orbitalen des Kupfer- und des Sauerstoffatoms in Abhängigkeit von ihrer Lage gemessen. Mit der zweiten Methode wurde die Amplitude der Elektronenpaar-Wellenfunktion (die Stärke der Supraleitung) an jedem Sauerstoffatom und an jedem Kupferatom gemessen.

„Indem wir die Stärke der Supraleitung als Funktion der Unterschiede zwischen den Orbitalenergien darstellten, konnten wir zum ersten Mal genau die Beziehung messen, die erforderlich ist, um eine der führenden Theorien der Hochtemperatursupraleitung auf atomarer Ebene zu bestätigen oder zu widerlegen“, so Professor Davis, dessen Arbeit am UCC von der Science Foundation Ireland finanziert wird.

Wie von der Theorie vorhergesagt, zeigten die Ergebnisse eine quantitative, umgekehrte Beziehung zwischen der Energiedifferenz bei der Ladungsübertragung zwischen benachbarten Sauerstoff- und Kupferatomen und der Stärke der Supraleitung.

Nach Ansicht des Forscherteams, das von Shane O'Mahony vom University College Cork geleitet wird, könnte diese Entdeckung ein historischer Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von Supraleitern für Raumtemperaturen sein. Letztendlich könnten diese weitreichende Anwendungen haben, die von Magnetschwebebahnen, Kernfusionsreaktoren, Quantencomputern und Hochenergie-Teilchenbeschleunigern bis hin zu supereffizienter Energieübertragung und -speicherung reichen.

Funktionsweise der Cooper-Paare

In Supraleitermaterialien wird der elektrische Widerstand minimiert, weil die stromführenden Elektronen in stabilen Cooper-Paaren gebunden sind. In Tieftemperatur-Supraleitern werden die Cooper-Paare durch thermische Schwingungen zusammengehalten, aber bei höheren Temperaturen werden diese zu instabil. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass die Cooper-Paare in Hochtemperatur-Supraleitern stattdessen durch magnetische Wechselwirkungen zusammengehalten werden, wobei die Elektronenpaare über eine quantenmechanische Kommunikation durch das dazwischenliegende Sauerstoffatom miteinander verbunden sind.

Professor Davis fügte hinzu: „Dies ist seit fast 40 Jahren einer der Heiligen Grale der Physikforschung. Viele Menschen glauben, dass billige, leicht verfügbare Raumtemperatur-Supraleiter für die menschliche Zivilisation ebenso revolutionär wären wie die Einführung der Elektrizität selbst.“

Bildergalerie

  • Seamus Davis, Professor für Quantenphysik an der UCC und der Universität Oxford, leitete ein internationales Forschungsteam, dem ein wichtiger Durchbruch bei der Entwicklung von supraleitenden Materialien bei Raumtemperaturen gelungen ist.

    Bild: UCC

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