Supraleitung ist eigentlich etwas ganz Gewöhnliches, wenn man extreme Bedingungen nicht scheut. Viele Stoffe leiten Strom ohne Widerstand, sofern man sie entweder auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlt oder in Diamantstempelzellen unvorstellbar stark zusammenpresst. Die große Kunst und eines der wichtigsten Ziele der Materialforschung ist es, einen Stoff zu finden, der möglichst nah an Raumtemperatur und Atmosphärendruck supraleitend wird – und der deswegen auch außerhalb spezialisierter Labore in technischen Anwendungen eingesetzt werden kann.

Nun vermeldet eine Arbeitsgruppe um Ranga P. Dias von der University of Rochester einen großen Schritt auf dem Weg zu einem alltagstauglichen Supraleiter. Die Arbeitsgruppe nutzte für ihre Versuche eine Verbindung aus dem Seltenerdmetall Lutetium und Wasserstoff, in dem sie einige der Wasserstoffatome durch Stickstoff ersetzt hat. Diese so genannten ternären Hydride, in denen Wasserstoff mit zwei weiteren Elementen verbunden ist, gelten als derzeit aussichtsreichste Stoffklasse bei der Suche nach dem Super-Supraleiter. Wie das Team in »Nature« berichtet, verliert der Stoff schon unter 21 Grad Celsius jeden elektrischen Widerstand.

Ebenso bemerkenswert ist, dass das Material laut der Veröffentlichung in »Nature« dafür lediglich dem Zehntausendfachen des Atmosphärendrucks ausgesetzt werden muss. Das klingt nach extrem viel, aber die üblicherweise bei Hochtemperatursupraleitern nötigen Drücke liegen etwa im Bereich von etwa 150 bis 300 Gigapascal – anderthalb bis drei Millionen mal mehr als der Druck unserer Atmosphäre. Damit wäre das von Dias und seinem Team präsentierte Material näher als kein Supraleiter zuvor an Raumtemperatur und Normaldruck, den Bedingungen, unter denen alltägliche technische Anwendungen funktionieren müssen.

Eine unschöne Vorgeschichte

Der Schönheitsfehler an der Sache ist, dass die gleiche Arbeitsgruppe vor nicht ganz drei Jahren mit einer ganz ähnlichen Behauptung ziemlich auf die Nase gefallen war. Im Oktober 2020 berichtete das Team um Dias ebenfalls in »Nature« von einem Material mit einer Sprungtemperatur von 15 Grad Celsius. Allerdings kritisierten Fachleute die Auswertung des Experiments, es gab sogar Unterstellungen, die Daten seien gezielt gefälscht worden. Schließlich zog die Zeitschrift die Veröffentlichung zurück. Die Arbeitsgruppe um Dias steht jedoch bis heute zu dem Resultat.

Angesichts der Vorgeschichte werden andere Fachleute bei dieser Veröffentlichung ganz genau hingucken. Aber während das Team 2020 lediglich verrauschte Daten über die magnetische Suszeptibilität als Hinweis auf die Supraleitung präsentierte, liefern sie bei der neuen Veröffentlichung direkte Daten über den elektrischen Widerstand sowie das magnetische und thermodynamische Verhalten des neuen Materials.

Was bisher nicht bekannt ist, sind die genaue Zusammensetzung und Struktur des Materials. Zwar maß das Team mittels Röntgenstreuung die Verteilung der Lutetiumatome, doch die sind kaum mehr als das Gerüst des mutmaßlichen Supraleiters. Entscheidend sind die anderen beiden Elemente Stickstoff und vor allem Wasserstoff. Ihre Verteilung im Material kann Aufschluss geben, warum der Stoff ein so guter Supraleiter ist – und wie man womöglich noch bessere erschaffen kann.

Wie Wasserstoff Supraleitung fördert

Dabei blickt die Forschung schon lange auf wasserstoffreiche Materialien. Laut theoretischen Vorhersagen spielen Gitterschwingungen eine große Rolle bei Hochtemperatursupraleitung. Je schneller die Atome schwingen und je stärker diese Schwingungen mit den Elektronen im Material wechselwirken, umso höher ist die kritische Temperatur, ab der Strom verlustfrei fließt. Und Wasserstoff hat als leichtestes Element nicht nur die höchste Schwingungsfrequenz – die als Phononen bezeichneten Schwingungen koppeln auch besonders stark an Elektronen.

So ist lange bekannt, dass reiner Wasserstoff bei Raumtemperatur supraleitend werden würde. Der Haken an der Sache: Der dafür nötige metallische Wasserstoff bildet sich erst bei einem Druck von über 500 Gigapascal, dem Fünfmillionenfachen des Atmosphärendrucks. Etwas besser sieht es bei Stoffen aus, in denen Wasserstoff an andere Elemente gebunden ist. 2015 entdeckte eine Arbeitsgruppe, dass das Schwefelhydrid H₃S bei 203 Kelvin supraleitend wird – nur 70 Grad Celsius unter dem Gefrierpunkt von Wasser, aber immer noch bei einem Druck von 155 Gigapascal.

Von den ersten Supraleitern nahe dem absoluten Nullpunkt ist das Welten entfernt. Doch dass sich die Temperaturen immer mehr technisch erreichbaren Werten nähern, hat man damit erkauft, dass nun die nötigen Drücke absurd hoch sind. Fachleute suchen jetzt nach Wegen, diesen Trend wieder umzukehren. Hochtemperatursupraleiter waren gestern – heute jagt man Tiefdrucksupraleiter.

Die ternären Hydride

Ähnlich wie bei den hohen Sprungtemperaturen weckt auch hier eine neue Substanzklasse Hoffnungen: ternäre Hydridverbindungen. Bei ihnen fügt man den Hydriden ein drittes, meist leichtes Element hinzu. Dieses verbessert die Stabilität der wasserstoffreichen Kristallgitter, so dass die so entstehenden Stoffe auch bei geringeren Drücken stabil bleiben. Außerdem zeigen Simulationen, dass ein drittes Element die Sprungtemperatur der Hydride weiter erhöhen kann.

Das von Dias und seinem Team nun beschriebene Material scheint zu zeigen, dass die ternären Hydride tatsächlich das erhoffte Potenzial haben. Die Kombination des Lutetiumhydrid mit Stickstoff als drittem Element passt fast zu gut zu den theoretischen Erwartungen – der Stoff wird bei sehr hohen Temperaturen supraleitend und braucht mit einem Gigapascal nur einen Bruchteil des sonst verwendeten Drucks. Nun muss sich zeigen – besonders angesichts der Kontroverse um die letzte derartige Veröffentlichung der Arbeitsgruppe –, ob sich die Ergebnisse unabhängig nachvollziehen lassen.

Und selbst wenn das der Fall ist, fehlen bisher entscheidende Informationen über den neuen Supraleiter. Bisher ist lediglich sicher, dass er Wasserstoff und Stickstoff enthält – aber nicht wie viel und wie die Atome im Kristallgitter angeordnet sind. Das jedoch muss man wissen, um die nächsten Fragen zu beantworten: Welche Rolle spielt der Stickstoff? Und daran anschließend: ob auch in diesem Stoff Gitterschwingungen für die Supraleitung verantwortlich sind – oder ob in den ternären Hydriden möglicherweise ein anderer, noch exotischerer Effekt wirkt.