Supraleiter Lithium

Nahe dem absoluten Nullpunkt leitet das Alkalimetall Lithium Strom ohne Widerstand auch bei Normaldruck.

Helsinki (Finnland) – Lithium ist das leichteste Metall und zeigt mit seinem einzigen Valenzelektron eine sehr einfache elektronische Struktur auf. Bisher sprang das Alkalimetall nur unter sehr hohen Drücken in den supraleitenden Zustand. Doch kürzlich beobachteten finnische Physiker diesen Übergang nun auch bei Normaldruck. Wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten, liegt die Sprungtemperatur bei 0,4 Millikelvin.

„Da Lithium ein einfaches elektronisches Leitungsband hat, repräsentiert es einen wichtigen Fall für die Klassifizierung von Supraleitern und Sprungtemperaturen“, schreiben Juha Tuoriniemi und seine Kollegen von der Technischen Universität Helsinki. Nach ersten theoretischen Vorhersagen zur Supraleitung von Lithium folgten vor etwa fünf Jahren die ersten experimentellen Bestätigungen. Nahezu zeitgleich mit einer japanischen Forschergruppe der Universität Osaka berichteten Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz und des Geophysical Laboratory of the Carnegie Institution in Washington von der Supraleitung des Alkalimetalls unter hohen Drücken.

Die japanischen Forscher beobachteten, dass die Sprungtemperatur bei 48 Gigapascal (GPa) auf 20 Kelvin ansteigt – die bisher höchste Sprungtemperatur unter allen chemischen Elementen. Andere Experimente zeigten eine Sprungtemperatur von 16 Kelvin bei 80 GPa. Und bei einem geringeren Druck von 230.000 Atmosphären (23 GPa) sackte die Sprungtemperatur auf 9 Kelvin ab. Nur für Normaldruck herrschte unter Physikern Skepsis, ob Lithium überhaupt in den supraleitenden Zustand wechseln könne. Doch genau dies zeigten nun Tuoriniemi und Kollegen in ihrem Experiment.

Kleine Stückchen des hochreaktiven Alkalimetalls verpackten die finnischen Forscher unter einer Schutzatmosphäre aus Argon in eine dünne Kupferfolie. Diese konnte eine gute thermische Verbindung zum Kryostaten gewährleisten. Die Probe ließ sich so auf bis zu 0,1 Millikelvin abkühlen. Besonders wichtig zeigte sich eine magnetische Abschirmung, um mit einer externen Feldstärke von maximal 20 Nanotesla den supraleitenden Zustand nicht zu stören.

Um den Sprung zur Supraleitung zu beobachten, maßen die Physiker die Suszeptibilität der Probe in Abhängigkeit vom Stromfluss. Bereits bei 0,15 mK zeigten sich erste Anzeichen einer verbesserten Leitfähigkeit, und bei 0,14 mK konnte der Sprung in den so genannten Meissner-Zustand klar belegt werden.

Technische Anwendungen als Supraleiter wird Lithium mit dieser Sprungtemperatur nahe dem absoluten Nullpunkt nicht haben. Doch dieses Ergebnis ist von großer Bedeutung, um die Theorien der Supraleitung weiter überprüfen zu können. Das Ziel ist dabei eine Theorie, mit der die Sprungtemperatur eines Materials schon vor dem Experiment exakt vorausgesagt werden kann.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Juha Tuoriniemi et al., Superconductivity in lithium below 0.4 millikelvin at ambient pressure, Nature 447, 187 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05820
• Helsinki University of Technology:
  http://www.tkk.fi/English/
• Low Temperature Laboratory:
  http://ltl.tkk.fi