Entwicklung der Sprungtemperatur bei Supraleitern

Geschichte der Supraleitung

1911 beobachtete der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes, dass Quecksilber bei Temperaturen unterhalb von minus 269 Grad Celsius den elektrischen Strom völlig verlustfrei leitet. Er hatte die Supraleitung entdeckt.

Am 8. April 1911 soll Heike Kamerlingh Onnes in sein Notizbuch geschrieben haben: „Kwik nagenoeg nul“ (Quecksilber nahezu Null). Er hatte das flüssige Metall zuvor stark mit flüssigem Helium herabgekühlt – auf rund vier Grad über dem absoluten Nullpunkt, das entspricht minus 269 Grad Celsius. Der elektrische Widerstand, so zeigten es seine Messinstrumente an, schien unterhalb dieser Temperatur auf einmal zu verschwinden und der elektrische Strom wurde vom Quecksilber völlig verlustfrei geleitet. 1913 erhielt der niederländische Wissenschaftler für seine Forschung den Nobelpreis für Physik.

Historisches Portraitfoto von Heike Kamerlingh Onnes
Heike Kamerlingh Onnes

In demselben Jahr konnte man nachweisen, dass auch Blei den elektrischen Strom verlustfrei leitet – unterhalb einer Temperatur von minus 266 Grad Celsius, ebenfalls nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt. In den folgenden Jahrzehnten fanden sich viele weitere Materialien, in denen sich diese „Supraleitung“ ab einer gewissen, sogenannten Sprungtemperatur einstellte. Bereits zu jener Zeit hatten die Physiker technische Anwendungen der Supraleitung im Blick, vor allem um extrem starke Magnetfelder zu erzeugen.

Aus diesem Grund war man von Anfang an auf der Suche nach Materialien mit höheren Sprungtemperaturen. Lange Zeit schien es jedoch unmöglich, über die Sprungtemperatur von Niobgermanium, die bei ungefähr 23 Kelvin beziehungsweise minus 250 Grad Celsius liegt, hinaus zu gelangen. Völlig überraschend fanden Georg Bednorz und Alex Müller im Jahr 1986 dann eine Verbindung aus Lanthan, Strontium, Kupfer und Sauerstoff, die bei einer wesentlich höheren Sprungtemperatur supraleitend wird – nämlich bei 46 Kelvin (minus 227 Grad Celsius).

Hochtemperatursupraleiter

Mit ihrer Entdeckung, die 1987 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, öffneten die beiden Forscher neue Wege auf der Suche nach Materialien mit noch höheren Sprungtemperaturen. 1987 wurde Yttriumkuprat, eine Verbindung aus Yttrium, Barium, Kupfer und Sauerstoff, mit einer Sprungtemperatur von 93 Kelvin (minus 180 Grad Celsius) gefunden. 1988 folgten die Wismutkuprate, Verbindungen aus Wismut, Strontium, Kalzium, Kupfer und Sauerstoff, mit Sprungtemperaturen um 125 Kelvin (minus 148 Grad Celsius) und 1993 Quecksilberkuprat mit 134 Kelvin (minus 139 Grad Celsius), unter hohem Druck sogar 153 Kelvin (minus 120 Grad Celsius).

Wegen der relativ hohen Sprungtemperaturen lassen sich diese Substanzen mit flüssigem Stickstoff (Siedetemperatur von 77 Kelvin beziehungsweise minus 196 Grad Celsius) anstelle von flüssigem Helium supraleitend machen. Die praktische Anwendung solcher Hochtemperatursupraleiter ist damit sehr viel wirtschaftlicher, denn flüssiger Stickstoff ist kostengünstiger und wird bereits in vielen Bereichen der Industrie eingesetzt. Kuprate haben gegenüber den metallischen Supraleitern allerdings einen großen Nachteil: Sie sind enorm spröde und lassen sich nur schwer verarbeiten, etwa zu dünnen Drähten.

Diagramm, auf der y-Achse ist die Sprungtemperatur in Kelvin, auf der x-Achse der Zeitraum 1990 bis 2020 aufgetragen. Die verschiedenen Arten der Supraleiter sind dabei nach ihrer Entdeckung eingetragen. Es ist zu erkennen, dass bis 1980 nur Supraleiter mit einer sehr niedrigen Sprungtemperatur von rund 20 Kelvin oder weniger bekannt waren. Ab 1980 fanden Forscher Supraleiter mit Sprungtemperaturen bis zu 160 Kelvin.
Sprungtemperatur bei Supraleitern

In dieser Hinsicht besitzen die 2006 vom japanischen Forscher Hideo Hosono entdeckten eisenhaltigen Supraleiter bessere Eigenschaften, allerdings werden sie erst bei deutlich tieferen Temperaturen supraleitend – zumindest momentan. Der erste Vertreter dieser Klasse, ein Materialmix aus Eisen, Lanthan, Phosphor und Sauerstoff, hatte noch eine Sprungtemperatur von vier Kelvin (minus 269 Grad Celsius), durch andere beigemengte Elemente wie beispielsweise Arsen steigerten Physiker die Sprungtemperatur inzwischen bis auf 56 Kelvin (minus 217 Grad Celsius) und hoffen diesen Trend fortzuführen.

Praktische Anwendungen

Supraleiter finden sich vor allem in supraleitenden Magnetspulen für die naturwissenschaftliche Forschung, etwa in Teilchenbeschleunigern oder Prototypen künftiger Fusionsreaktionen. Aber auch in der medizinischen Diagnostik kommen sie zum Einsatz – zum Beispiel in Kernspintomographen, in denen ultrastarke Magnetfelder benötigt werden, oder in empfindlichen Magnetometern. Mit diesen lassen sich kleinste Magnetfelder, wie sie in der Hirn- und der Herzdiagnose auftreten, messen.

Für eine großflächige Anwendung ist die Technik wegen der extrem tiefen Betriebstemperaturen aber nach wie vor zu teuer und aufwändig: So fließt der Strom bisher nur vereinzelt in Ballungsräumen durch supraleitende Kabel und supraleitende Magnetschwebebahnen existieren nur im Miniaturformat im Labor. „Erst wenn es der Forschung gelingt, robuste Hochtemperatursupraleiter zu entwickeln,“ so Wolfgang Sandner, Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, „werden sie viele Bereiche der Technik und des täglichen Lebens revolutionieren.“