Ein neues Zeitalter der Supraleitungsforschung

Von der TU Wien, 25. April 2023

Forscher der TU Wien und Universitäten in Japan haben mithilfe von Computersimulationen die „goldene Zone“ für optimale Supraleitung identifiziert. Diese Zone, in der die Wechselwirkung zwischen Elektronen stark, aber nicht zu stark ist, wird mit einer neuen Materialklasse namens Palladaten erreicht, die eine neue Ära der Supraleitungsforschung einleiten könnte.

Die TU Wien hat Berechnungen durchgeführt, die darauf hindeuten, dass das Edelmetall Palladium als „Goldlöckchen“-Material zur Herstellung von Supraleitern verwendet werden kann, die auch bei relativ hohen Temperaturen supraleitend bleiben.

Im Bereich der modernen Physik ist eine spannende Aufgabe im Gange: die optimale Methode zur Herstellung von Supraleitern zu finden, die ihre Supraleitung bei hohen Temperaturen und Umgebungsdruck beibehalten. Diese Suche wurde in jüngster Zeit durch das Aufkommen von Nickelaten verstärkt, was eine neue Ära der Supraleitung einläutete.

Die Grundlage dieser Supraleiter ist Nickel, weshalb zahlreiche Wissenschaftler diese Periode der Supraleitungsforschung als „Nickelzeitalter“ bezeichnen. Nickelate ähneln in vielerlei Hinsicht den Cupraten, die in den 1980er Jahren entdeckt wurden und auf Kupfer basieren.

Doch nun kommt eine neue Klasse von Materialien ins Spiel: In einer Kooperation zwischen der TU Wien und Universitäten in Japan ist es gelungen, das Verhalten verschiedener Materialien genauer als bisher am Computer zu simulieren.

There is a "Goldilocks zone" in which superconductivity works particularly well. And this zone is reached neither with nickel nor with copper, but with palladium. This could usher in a new "age of palladates" in superconductivity research. The results have now been published in the scientific journal Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Bei hohen Temperaturen verhalten sich Supraleiter sehr ähnlich wie andere leitende Materialien. Doch wenn sie unter eine bestimmte „kritische Temperatur“ abgekühlt werden, verändern sie sich dramatisch: Ihr elektrischer Widerstand verschwindet vollständig und plötzlich können sie Strom verlustfrei leiten. Diese Grenze, bei der ein Material zwischen einem supraleitenden und einem normalleitenden Zustand wechselt, wird als „kritische Temperatur“ bezeichnet.

"We have now been able to calculate this "critical temperature" for a whole range of materials. With our modeling on high-performance computers, we were able to predict the phase diagram of nickelate superconductivity with a high degree of accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Genauigkeit, wie die Experimente dann später zeigten“, sagt Prof. Karsten Held vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien.

Many materials become superconducting only just above absolute zeroAbsolute zero is the theoretical lowest temperature on the thermodynamic temperature scale. At this temperature, all atoms of an object are at rest and the object does not emit or absorb energy. The internationally agreed-upon value for this temperature is −273.15 °C (−459.67 °F; 0.00 K)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> absoluter Nullpunkt (-273,15 °C), während andere ihre supraleitenden Eigenschaften auch bei viel höheren Temperaturen behalten. Ein Supraleiter, der bei normaler Raumtemperatur und normalem Atmosphärendruck immer noch supraleitend bleibt, würde die Art und Weise, wie wir Elektrizität erzeugen, transportieren und nutzen, grundlegend revolutionieren. Ein solches Material wurde jedoch noch nicht entdeckt.

Dennoch spielen Hochtemperatursupraleiter, darunter auch solche aus der Klasse der Kuprate, in der Technik eine wichtige Rolle – etwa bei der Übertragung großer Ströme oder bei der Erzeugung extrem starker Magnetfelder.

Die Suche nach den bestmöglichen supraleitenden Materialien ist schwierig: Es kommen viele verschiedene chemische Elemente in Frage. Sie können sie in verschiedenen Strukturen zusammenfügen und winzige Spuren anderer Elemente hinzufügen, um die Supraleitung zu optimieren. „Um geeignete Kandidaten zu finden, muss man auf quantenphysikalischer Ebene verstehen, wie die Elektronen im Material miteinander interagieren“, sagt Prof. Karsten Held.

Dabei zeigte sich, dass es ein Optimum für die Wechselwirkungsstärke der Elektronen gibt. Die Wechselwirkung muss stark sein, aber auch nicht zu stark. Dazwischen liegt eine „goldene Zone“, die das Erreichen höchster Übergangstemperaturen ermöglicht.

Diese goldene Zone der mittleren Wechselwirkung kann weder mit Cupraten noch mit Nickelaten erreicht werden – einen Volltreffer kann man aber mit einem neuen Materialtyp erzielen: den sogenannten Palladaten. „Palladium steht im Periodensystem direkt eine Zeile unter Nickel. Die Eigenschaften sind ähnlich, allerdings sind die Elektronen dort im Durchschnitt etwas weiter vom Atomkern und voneinander entfernt, sodass die elektronische Wechselwirkung schwächer ist“, sagt Karsten Held.

Die Modellrechnungen zeigen, wie man optimale Übergangstemperaturen für Palladiumdaten erreicht. „Die Rechenergebnisse sind sehr vielversprechend“, sagt Karsten Held. „Wir hoffen, dass wir damit nun experimentelle Forschung anstoßen können. Wenn uns mit Palladaten eine ganz neue, zusätzliche Materialklasse zur Verfügung steht, um die Supraleitung besser zu verstehen und noch bessere Supraleiter zu schaffen, könnte das das gesamte Forschungsgebiet voranbringen.“

Referenz: „Optimizing Supraconductivity: From Cuprates via Nickelates to Palladates“ von Motoharu Kitatani, Liang Si, Paul Worm, Jan M. Tomczak, Ryotaro Arita und Karsten Held, 20. April 2023, Physical Review Letters.DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.166002