Neue Einblicke in die Supraleitung in wasserstoffreichen Verbindungen

Neue Einblicke in die Supraleitung in wasserstoffreichen Verbindungen

Neue Erkenntnisse zur Supraleitung in wasserstoffreichen Verbindungen

Hochdruck-Elektronentunnel-Spektroskopie enthüllt supraleitende Energielücke in H₃S und D₃S

1. April 2025

Ein bedeutender Fortschritt im Verständnis der Hochtemperatur-Supraleitung ist durch neue Forschungen an wasserstoffreichen Materialien gelungen. Wissenschaftler suchen seit Langem nach einer Erklärung, wie diese Verbindungen Strom ohne Widerstand bei ungewöhnlich hohen Temperaturen leiten können. Aktuelle Experimente liefern nun entscheidende Details über die supraleitende Energielücke in zwei solchen Materialien: H₃S und seinem deuteriumbasierten Pendant D₃S.

Der Durchbruch gelang erstmals 2015, als in H₃S Supraleitung bei Temperaturen weit über denen herkömmlicher Supraleiter nachgewiesen wurde. Diese Entdeckung weckte die Hoffnung, dass wasserstoffreiche Verbindungen eines Tages zu Supraleitern bei Raumtemperatur führen könnten – ein Ziel mit enormem Potenzial für die Energieübertragung, magnetische Levitation und Quantencomputer. Allerdings gestaltete sich die Erforschung dieser Materialien als schwierig, da sie sich nur unter extremem Druck bilden.

Um diese Hürde zu überwinden, entwickelten Forscher um Evgeny Maksimov, Mikhail Eremets und Ivan Semenikin eine spezielle Methode: die abstimmbare Elektronentunnel-Spektroskopie. Damit gelang es ihnen, die supraleitende Energielücke zu messen – jene entscheidende Eigenschaft, die zeigt, wie sich Elektronen paaren, um widerstandsfreien Stromfluss zu ermöglichen. Zunächst konzentrierten sich ihre Untersuchungen auf Hydride wie LaH₁₀ und YH₆, bevor sie sich H₃S und D₃S zuwandten. Die Ergebnisse waren beeindruckend: In H₃S betrug die Energielücke etwa 60 Millielektronenvolt (meV), in D₃S dagegen nur rund 44 meV. Dieser Unterschied stützt eine jahrzehntealte Theorie, wonach Elektron-Phonon-Wechselwirkungen – also die Art, wie Elektronen mit Schwingungen im Materialgitter interagieren – die Supraleitung in diesen Verbindungen antreiben. Die Befunde liefern starke Belege dafür, dass dieser Mechanismus in H₃S und ähnlichen Materialien wirkt. Die kleinere Lücke in D₃S im Vergleich zu H₃S bestätigt zudem Vorhersagen darüber, wie der Austausch von Isotopen die Supraleitung beeinflusst. Solche Erkenntnisse sind entscheidend, um Theorien zu verfeinern und die Suche nach noch leistungsfähigeren Supraleitern voranzutreiben.

Diese Forschung stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Hochtemperatur-Supraleitung dar. Indem sie die Rolle der Elektron-Phonon-Wechselwirkungen bestätigt, festigt sie die wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung praxistauglicher Supraleiter, die bei höheren Temperaturen funktionieren. Die in diesen Experimenten gewonnenen Techniken und Erkenntnisse dürften den Fortschritt in der Materialwissenschaft und Energietechnik beschleunigen.