Wie werden supraleitende Materialien unsere Welt verändern?

Phänomen der Supraleitung (Bildquelle: Oak Ridge National Laboratory, USA)

Im Science-Fiction-Film „Avatar“ sorgt das magische, bei Raumtemperatur supraleitende Mineral „Unobtanium“ auf dem Planeten Pandora für Erstaunliches. Dank seiner supraleitenden Eigenschaften lässt dieses Mineral hoch aufragende „Halleluja“-Berge leicht in der Luft schweben und schafft so ein traumhaftes, außerirdisches Wunder.

Standbilder aus dem Film Avatar

In der Welt der Wissenschaft sind supraleitende Materialien wie ein magischer „Stein der Weisen“. Sie verfügen über „Superkräfte“, die dem gesunden Menschenverstand widersprechen. Sie weisen keinen Widerstand auf, wenn elektrischer Strom durch sie hindurchfließt, und können magnetische Felder abstoßen. Diese Eigenschaften verleihen ihnen ein beispielloses Anwendungspotenzial in vielen Bereichen und machen sie zu einem wichtigen Forschungsthema für Wissenschaftler. Seit ihrer Entdeckung haben sie viele Wissenschaftler zur Erforschung angezogen.

Was ist ein Supraleiter

Ein Supraleiter ist ein Material, das die folgenden zwei Eigenschaften besitzt: Wenn eine bestimmte Temperatur und ein bestimmtes Magnetfeld erreicht werden, ① verschwindet der elektrische Widerstand; und 2 das interne Magnetfeld wird vollständig unterdrückt.

Links: Heike Kamerlingh Onnes entdeckte als Erste das Verschwinden des spezifischen Widerstands von Quecksilber bei T = 4,21 K; Rechts: Meissner-Effekt (Bildquelle: Website der Harvard University)

Im Jahr 1911 entdeckte die niederländische Wissenschaftlerin Heike Kamerlingh-Onnes erstmals, dass in einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen, wenn die Temperatur auf 4,2 K abfällt, der spezifische Widerstand von Quecksilber gegen Null geht. Damit bestätigte sie erstmals die Existenz des Phänomens der Supraleitung.

Im Jahr 1933 entdeckten Meissner und Ochsenfeld, dass Supraleiter unter bestimmten Temperatur- und Magnetfeldbedingungen eine vollständige Abstoßung ihres inneren magnetischen Flusses erreichen können, ein Phänomen, das später als Meissner-Effekt bekannt wurde.

In den folgenden Jahrzehnten bemühten sich Theoretiker, eine mikroskopische Theorie der Supraleitung zu finden. Mit der London-Theorie im Jahr 1935 und der Ginzburg-Landau-Theorie im Jahr 1950 wurden bedeutende Fortschritte erzielt. Doch erst 1957, 46 Jahre nach der ersten experimentellen Entdeckung der Supraleitung, schlugen Bardeen, Cooper und Schrieffer eine wichtige mikroskopische Theorie der Supraleitung vor, die breite Akzeptanz fand und als BCS-Theorie bekannt wurde.

Die drei Entdecker der BCS-Theorie wurden 1972 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Einfach ausgedrückt: Wenn ein Stück Metall Strom leitet, geht durch Teilchenkollisionen Energie verloren. Und je höher die Temperatur, desto mehr Energie geht verloren, was bedeutet, dass der Widerstand umso größer ist.

Teilchenbewegung in Metallen

Wenn die Temperatur auf ein bestimmtes Niveau sinkt, kann die thermische Bewegung der Partikel vernachlässigt werden. Wenn Elektronen zu diesem Zeitpunkt hindurchgehen, ziehen sie die umgebenden Atome und auch die folgenden Elektronen an, wodurch sich die beiden Elektronen zu einem Cooper-Paar zusammenschließen.

Die Kraft der Cooper-Paare ist so schwach, dass sie durch thermische Bewegung leicht zerstört werden kann. Bei der Bildung von Cooper-Paaren haben die Elektronen, die ursprünglich zwei Fermionen waren, die Eigenschaften von Bosonen, wodurch die Elektronen in den gleichen Zustand mit dem niedrigsten Energieniveau gelangen. Zu diesem Zeitpunkt können die Elektronen vollständig und ohne Verluste hindurchtreten, was das Auftreten von Supraleitung ist.

Cooper-Paar

Natürlich ist die BCS-Theorie nur auf die Erklärung konventioneller Niedertemperatur-Supraleiter vom Typ I anwendbar, und die Prinzipien vieler unkonventioneller Supraleiter sind uns noch immer unbekannt.

Das Periodensystem mit den markierten kritischen Temperaturen supraleitender Elemente.

Tieftemperatur-Supraleitung: ein erfahrener Pionier

Unter Tieftemperatur-Supraleitern versteht man im Allgemeinen Materialien mit einer Sprungtemperatur unter 30 K, die überwiegend mit flüssigem Helium (Tc > 4,2 K) gekühlt werden, um den supraleitenden Zustand zu erreichen. Dieser Supraleitertyp ist auch die Kategorie, die durch die BCS-Theorie erklärt werden kann.

Quecksilber ist als erster entdeckter Supraleiter ein typisches Niedertemperatur-Supraleitermaterial. Seine kritische Temperatur für die Supraleitung liegt bei etwa 4,2 K, was einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt entspricht. Bei solch niedrigen Temperaturen werden die thermischen Schwingungen der Quecksilberatome stark abgeschwächt, wodurch sich Elektronen erfolgreich zu Cooper-Paaren zusammenschließen können und dadurch supraleitende Eigenschaften aufweisen.

Neben Quecksilber sind auch Niob-Titan-Legierungen (NbTi) und Niob-Zinn (Nb₃Sn) gängige Niedertemperatur-Supraleitermaterialien. Aufgrund ihrer hervorragenden supraleitenden Eigenschaften werden sie in vielen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der Magnetresonanztomographie (MRT), in Teilchenbeschleunigern und in Kernfusionsgeräten.

Hochtemperatur-Supraleiter: ein aufgehender Stern

Mit dem kontinuierlichen Fortschritt von Wissenschaft und Technologie rückten in den 1980er Jahren Hochtemperatur-Supraleitermaterialien in den Vordergrund.

Im Jahr 1986 entdeckten Bednorz und Müller, die bei IBM in der Schweiz arbeiteten, einen neuen Typ supraleitenden Materials: LaBaCuO (30K). Im folgenden Jahr wurde mit der Entdeckung von YBa2Cu3O7-x (90 K) die Temperaturbarriere für flüssigen Stickstoff (77 K) durchbrochen.

Das wirtschaftliche Potenzial zur Einsparung elektrischer Energie durch Supraleiter oberhalb von 77 K ist enorm, da dies der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff ist. Zwar kann flüssiges Helium verwendet werden, um die Temperatur auf 4 K zu senken und so supraleitende Materialien herzustellen, die Kosten pro Liter betragen jedoch etwa 5 US-Dollar. Wenn Sie die Temperatur jedoch nur auf über 77 K senken müssen, betragen die Kosten pro Liter flüssigem Stickstoff nur etwa 0,30 $.

Derzeit gibt es zwei Arten von Hochtemperatur-Supraleitermaterialien: Kupferoxid und Eisenarsen bzw. Eisenselenid. Einfach ausgedrückt handelt es sich bei dem einen um einen kupferbasierten Supraleiter und bei dem anderen um einen eisenbasierten Supraleiter.

Im Oktober 2024 erzielte das wissenschaftliche Forschungsteam meines Landes in Zusammenarbeit mit mehreren ausländischen Forschungsteams wichtige Fortschritte bei der Erforschung nickelbasierter Hochtemperatur-Supraleiter. Dies spielt eine wichtige Führungsrolle bei der weiteren Optimierung, Entwicklung und Synthese von Hochtemperatur-Supraleitermaterialien auf Nickelbasis und wird den Forschungsfortschritt bei Hochtemperatur-Supraleitern auf Nickelbasis fördern.

Supraleitung bei Raumtemperatur: Das Licht der Science-Fiction

Da immer mehr Hochtemperatur-Supraleitermaterialien entdeckt werden, können wir uns nur vorstellen, welche weltbewegenden Veränderungen unser Leben verändern werden, wenn Supraleitermaterialien bei Raumtemperatur auftauchen. Obwohl echte supraleitende Materialien bei Raumtemperatur und Normaldruck in der realen Welt noch nicht bestätigt wurden, tauchen sie häufig in Science-Fiction-Werken auf und sind zu einer Quelle der Inspiration für die Fantasie der Menschen geworden.

Aus der Perspektive der wissenschaftlichen Theorie wird die Verwirklichung der Supraleitung bei Raumtemperatur eine technologische Revolution auslösen, die die menschliche Gesellschaft untergraben wird.

Im Energiebereich wird die supraleitende Energieübertragung den Widerstandsverlust im herkömmlichen Energieübertragungsprozess vollständig eliminieren, eine nahezu verlustfreie Übertragung elektrischer Energie ermöglichen und die Lieferung von Elektrizität in jeden Winkel der Welt zu äußerst geringen Kosten ermöglichen, wodurch tatsächlich ein neues Zeitalter unbegrenzter Energie eingeläutet wird.

Im Transportbereich wird die Magnetschwebetechnik nicht länger durch hohe Kühlkosten und komplexe Niedertemperatursysteme eingeschränkt. Mithilfe supraleitender Magnete könnten Autos, Züge und sogar Flugzeuge möglicherweise eine effiziente Federung bei hohen Geschwindigkeiten erreichen und Verkehrsstaus in den Städten könnten der Vergangenheit angehören.

Im Bereich der Computerwissenschaften werden Quantencomputer auf Basis supraleitender Materialien noch leistungsfähiger sein. Dank der ultraschnellen Rechengeschwindigkeit und der extrem hohen Stabilität supraleitender Quantenbits können sie komplexe Probleme, die für bestehende Computer nur schwer zu bewältigen sind, problemlos lösen und so in vielen Bereichen wie der künstlichen Intelligenz, der Kryptografie sowie der Arzneimittelforschung und -entwicklung einen enormen Entwicklungsschub bewirken.

Leider ist es Wissenschaftlern bisher noch nicht gelungen, echte Supraleitung bei Raumtemperatur und Normaldruck zu erreichen. Die bisher entdeckten supraleitenden Materialien für Raumtemperatur müssen extrem hohen Druckbedingungen ausgesetzt sein, um supraleitende Eigenschaften zu zeigen, und sind noch weit von einer praktischen Anwendung entfernt.

So gab beispielsweise das Diaz-Team in den USA im Oktober 2020 bekannt, dass es bei 2,67 Millionen Atmosphären Druck Supraleitung mit einer Sprungtemperatur von 15 Grad Celsius erreicht habe. Aufgrund der extremen Versuchsbedingungen und der Schwierigkeit, diese zu reproduzieren, wurden die Forschungsergebnisse jedoch in Frage gestellt und die entsprechenden Arbeiten zurückgezogen.

Im März 2023 gab Diaz‘ Team erneut bekannt, dass es Supraleitung unter Bedingungen von etwa 21 Grad Celsius und 10 Kilobar (entspricht etwa 10.000 Atmosphären Druck) erreicht habe. Obwohl der erforderliche Druck niedriger ist als zuvor, ist er immer noch viel höher als der Normaldruck, und die Forschung muss noch weiter verifiziert werden.

Darüber hinaus gab ein südkoreanisches wissenschaftliches Forschungsteam im Juli 2023 die Entdeckung eines Materials namens LK-99 bekannt und behauptete, es verfüge bei Raumtemperatur und -druck über supraleitende Eigenschaften. Allerdings konnten die Forschungsergebnisse mehrerer Labore weltweit zu diesem Material dessen Supraleitung nicht bestätigen, was Zweifel an der Glaubwürdigkeit der Entdeckung aufkommen lässt.

Obwohl sich die Supraleitung bei Raumtemperatur noch in der Forschungsphase befindet, erforschen Wissenschaftler weiterhin neue Materialien und Methoden, um dieses Ziel in Zukunft zu erreichen.

ENDE

Quellen:

[1]https://hoffman.physics.harvard.edu/materials/SCintro.php

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Superconductivity#Classification

[3]https://courses.lumenlearning.com/suny-physics/chapter/34-6-high-temperature-superconductors/

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/4E6CMB0yxp3EZ5RNpb2o-A

[5]https://www.iop.cas.cn/xwzx/mtsm/202411/t20241107_7435265.html

Autor: Yang Yuxin

Planung: Zhang Chao, Li Peiyuan, Yang Liu

Gutachter: Fu Changyi, außerordentlicher Professor, Technische Universität Nanjing

Vorsitzender des Science-Fiction-Komitees der Jiangsu Science Writers Association