Direkter Supraleitung-Nachweis in wasserstoffreichen Materialien
Elektronen-Tunnelspektroskopie unter hohem Druck offenbart Energielücke im supraleitenden H₃S.
Forschenden ist ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zum Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung in wasserstoffreichen Materialien gelungen. Mit Hilfe einer Elektronen-Tunnelspektroskopie unter hohem Druck hat ein internationales Forscherteam unter der Leitung des Max-Planck-Instituts für Chemie die Energielücke im supraleitenden H3S gemessen – dem Material, für das im Jahr 2015 ein Rekord für Hochtemperatur-Supraleitung aufgestellt wurde und als Ausgangsverbindung für nachfolgende hochtemperatur-supraleitende Hydride dient. Die Ergebnisse liefern den ersten direkten mikroskopischen Nachweis für Supraleitung in wasserstoffreichen Materialien und sind ein wichtiger Schritt zu deren Verständnis.
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Die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung von wasserstoffreichen Verbindungen wie Schwefelwasserstoff (H2S) und Lanthandecahydrid, die bei 203 Kelvin beziehungsweise bei 250 Kelvin supraleitend werden, war ein bedeutender Fortschritt auf dem Weg zur Supraleitung bei Raumtemperatur. Der Schlüssel zum Verständnis der Supraleitung liegt in der supraleitenden Energielücke – einer grundlegenden Eigenschaft, die Aufschluss darüber gibt, wie sich Elektronen zu Paaren verbinden, um den supraleitenden Zustand zu erreichen. Dieses Merkmal unterscheidet den supraleitenden Zustand gegenüber anderen metallischen Zuständen eines Materials.
Die Messung der supraleitenden Energielücke in wasserstoffreichen Materialien ist jedoch äußerst herausfordernd. Diese Verbindungen müssen unter extrem hohem Druck, der mehr als eine Million Mal höher ist als der atmosphärische Druck, synthetisiert werden. Dadurch sind herkömmliche Techniken zum Nachweis der supraleitenden Energielücke wie die Rastertunnelmikroskopie nicht anwendbar. Die Forschenden am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entwickelten daher eine spezielle planbare Elektronen-Tunnelspektroskopie, die auch unter solchen extremen Bedingungen eingesetzt werden kann. Damit gelang es ihnen erstmals, die supraleitende Energielücke in H3S zu ermitteln und so direkt Einblicke in den supraleitenden Zustand wasserstoffreicher Verbindungen zu gewinnen.
Die Forschenden entdeckten, dass H3S eine vollständig offene supraleitende Energielücke in Höhe von etwa sechzig Millielektronenvolt (meV) aufweist, während sein Deuterium-Analoge D3S eine Lücke von etwa 44 meV zeigt. Die Tatsache, dass die Energielücke in D3S kleiner ist als in H3S, stützt eine langjährige theoretische Vorhersage: Sie besagt, dass die Wechselwirkungen von Elektronen und Phononen – das sind quantisierte Schwingungen des Atomgitters eines Materials – den Supraleitungsmechanismus von H3S verursacht.
Für die Forschenden ist ihre Entdeckung mehr als nur eine technische Errungenschaft, da sie auch den Grundstein legt, um den Ursprung der Hochtemperatur-Supraleitung in wasserstoffreichen Materialien vollständig zu entschlüsseln. „Wir hoffen, dass es durch die Ausweitung dieser Tunneltechnik auf andere Hydrid-Supraleiter gelingt, die Schlüsselfaktoren für die Supraleitung bei noch höheren Temperaturen zu identifizieren. Das sollte letztlich die Entwicklung neuer Materialien ermöglichen, die unter praktischeren Bedingungen eingesetzt werden können“, sagt Feng Du.
Mikhail Eremets, ein Pionier auf dem Gebiet der Hochdruck-Supraleitung, der im November 2024 verstarb, bezeichnete die Studie als „die wichtigste Arbeit auf dem Gebiet der Hydrid-Supraleitung seit der Entdeckung der Supraleitung in H2S im Jahr 2015“. „Mikhails Vision von Supraleitern, die bei Raumtemperatur und moderatem Druck funktionieren, rückt durch diese Arbeit einen Schritt näher an die Realität“, kommentiert Vasily Minkov, Projektleiter für Hochdruckchemie und -physik.
MPIC / JOL
