Zusammenfassung:
Supraleitung bei Raumtemperatur war schon immer eines der wichtigsten Forschungsziele in der Physik der kondensierten Materie. Wenn Supraleitung bei normalen Umgebungstemperaturen erreicht werden kann, könnte dies große Veränderungen in Bereichen wie Energieübertragung, Magnetschwebetransport, Energiespeicherung und Quantencomputing einleiten. Ein Forschungsteam der Universität Utrecht in den Niederlanden, der Universität Leiden in den Niederlanden und der Universität München in Deutschland hat kürzlich einen wichtigen Fortschritt gemacht:
Sie fanden heraus, dass in einigen hochtemperatursupraleitenden Materialien das für die Bildung von Supraleitung notwendige Elektronenpaarungsphänomen bis zur Raumtemperatur aufrechterhalten werden kann. Das bedeutet, dass der Schlüsselfaktor, der Materialien daran hindert, bei Raumtemperatur Supraleitung zu erreichen, möglicherweise nicht die Unfähigkeit der Elektronen ist, Paare zu bilden, sondern die Unfähigkeit dieser Elektronenpaare, sich koordiniert zu bewegen.
Supraleitung ist ein besonderer physikalischer Zustand. Wenn ein Material supraleitend wird, kann Strom ohne Widerstand durch es fließen, sodass keine Energie durch den Widerstand verloren geht wie bei gewöhnlichen Leitern. Im Jahr 1911 entdeckten Wissenschaftler erstmals das Phänomen der Supraleitung. Herkömmliche supraleitende Materialien müssen jedoch normalerweise auf extrem niedrige Temperaturen abgekühlt werden, damit sie funktionieren. Bei vielen Materialien ist sogar der Einsatz von flüssigem Helium erforderlich, um die Temperatur auf etwa minus 260 Grad Celsius zu senken. Dieser teure und komplexe Kühlbedarf schränkt die großtechnische Anwendung der Supraleitungstechnologie erheblich ein.
Mitte der 1980er Jahre entdeckten Wissenschaftler eine Reihe von Materialien, die bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend sein konnten, einige davon hatten eine supraleitende kritische Temperatur von etwa minus 173 Grad Celsius. Obwohl diese Temperatur immer noch weit unter der Raumtemperatur liegt, durchbricht sie die Temperaturgrenze traditioneller supraleitender Materialien und wirft auch neue theoretische Fragen auf: Die Theorien, die die traditionelle Niedertemperatursupraleitung erklären, können nicht vollständig erklären, warum diese hochtemperatursupraleitenden Materialien funktionieren können.
Diese Forschung konzentriert sich auf zwei unverzichtbare Bedingungen bei der Bildung von Supraleitung.
Die erste Bedingung ist die Elektronenpaarung. Normalerweise interagieren Elektronen miteinander, und in bestimmten Materialien und Umgebungen können zwei Elektronen einen assoziierten Zustand bilden, der als Cooper-Paar bezeichnet wird. Diese Paarung ist eine wichtige Grundlage für die Entstehung der Supraleitung.
Die zweite Bedingung ist die Phasenkohärenz. Auch wenn die Elektronen ein Paar gebildet haben, heißt das nicht, dass das Material zwangsläufig in einen supraleitenden Zustand übergeht. Auch die Elektronenpaare müssen einen koordinierten Quantenzustand bilden, wie Partner in einem Tanzteam. Es muss nicht nur jedes Mitglied des Paares zusammenarbeiten, sondern alle Mitglieder müssen auch den gleichen Rhythmus einhalten. Nur wenn sich viele Elektronenpaare koordiniert gemeinsam bewegen können, kann ein Material echte supraleitende Eigenschaften aufweisen.
In herkömmlichen niedertemperatursupraleitenden Materialien treten Elektronenpaarung und Phasenkohärenz normalerweise zusammen auf, wenn die Temperatur in die Nähe des kritischen Punktes sinkt. Doch die Forscher fanden heraus, dass die beiden Prozesse in hochtemperatursupraleitenden Materialien voneinander getrennt werden können. Elektronen sind in der Lage, weit im Voraus, weit oberhalb der kritischen Temperatur der Supraleitung, Paare zu bilden, und bleiben in diesem Zustand auch bei Raumtemperatur.
Das Forschungsteam glaubt, dass dies zeigt, dass die Wechselwirkung, die die Elektronenpaarung aufrechterhält, stark genug ist, dass das Elektronenpaar selbst bei einem Temperaturanstieg auf Raumtemperatur nicht sofort zerfällt. Was die Bildung von Supraleitung wirklich einschränkt, könnte die zweite Bedingung sein, nämlich ob diese Elektronenpaare Phasenkohärenz herstellen können.
Ingmar Swart, einer der Forschungsleiter und Wissenschaftler an der Universität Utrecht, sagte, dass diese Entdeckung von großer Bedeutung sei, da das Forschungsteam bewiesen habe, dass eine der beiden Schlüsselbedingungen für die Bildung von Supraleitung bei Raumtemperatur bei Raumtemperatur erreicht werden könne. Wenn die Elektronenpaarung bei Raumtemperatur einfach nicht aufrechterhalten werden kann, sind die Bemühungen, bei Raumtemperatur supraleitende Materialien zu finden, von vornherein grundsätzlich begrenzt. Nachdem dieses Hindernis nun weiter beseitigt wurde, können Forscher intensiver untersuchen, wie genau Phasenkohärenz entsteht und was sie daran hindert, bei höheren Temperaturen zu entstehen.
Der Fortschritt dieser Forschung hängt eng mit den neuen Messgeräten zusammen, die von den Forschern selbst entwickelt wurden. Herkömmliche Messmethoden haben oft Schwierigkeiten, eindeutig zu unterscheiden, ob der Strom von einem einzelnen Elektron oder von Elektronen, die ein Paar gebildet haben, getragen wird. Das vom Forschungsteam entwickelte neue Gerät kann zwischen diesen beiden Strömen unterscheiden und ermöglicht so die direkte Untersuchung des Temperaturbereichs, in dem die Elektronenpaarung innerhalb des Materials stattfindet, und wie dies mit dem supraleitenden Zustand zusammenhängt.
Das in der Forschung verwendete Material ist ein Kupferoxid-Hochtemperatursupraleiter, insbesondere ein Wismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxid-Material. Durch die Messung der Elektronenenergieeigenschaften fanden die Forscher einen Zusammenhang zwischen einem Phänomen, das früher als Pseudogap (Pseudogap) bekannt war, und der für die Elektronenpaarung erforderlichen Energie. Dies bietet eine neue experimentelle Grundlage für das Verständnis des Elektronenpaarungsmechanismus in der Hochtemperatursupraleitung.
Die entsprechende Forschungsarbeit trägt den Titel „Equivalence of pseudogap andpairing energy in a cuprate high-temperature supraconductor“ und wurde am 5. November 2026 in der Zeitschrift Science veröffentlicht. Zu den Hauptautoren der Arbeit gehören Jiasen Niu und Maialen Ortego Larrazabal. Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Utrecht, der Universität Leiden, der Universität München und anderen Institutionen abgeschlossen.
Diese Entdeckung bedeutet jedoch nicht, dass Wissenschaftler supraleitende Materialien bei Raumtemperatur geschaffen haben. Die Forscher haben weder nachgewiesen, dass irgendein Material bei Raumtemperatur einen Widerstand von Null erreichen kann, noch haben sie supraleitende Schaltkreise nachgewiesen, die bei Raumtemperatur funktionieren können. Der eigentliche Durchbruch kam, als sie entdeckten, dass die notwendige Voraussetzung für die Paarung von Elektronen bei Raumtemperatur vorliegen kann, was den Umfang des Problems, das bei der Suche nach Raumtemperatur-Supraleitern gelöst werden muss, weiter einschränkte.
Als nächstes wird sich das Forschungsteam auf die Untersuchung der Phasenkohärenz konzentrieren und versuchen herauszufinden, warum sich Elektronenpaare bei Raumtemperatur bilden können, ihre Bewegung jedoch bei derselben Temperatur nicht koordinieren können. Wenn sie einen Weg finden könnten, diesen Prozess zu kontrollieren, könnten sie möglicherweise neue Materialien entwickeln, die bei höheren Temperaturen supraleitend sein können.
Aus Sicht der Forschungsbedeutung besteht der wichtigste Wert dieser Errungenschaft nicht darin, sofort ein neues supraleitendes Material hervorzubringen, sondern darin, Wissenschaftlern dabei zu helfen, den physikalischen Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung genauer zu verstehen. In den letzten Jahrzehnten wurde die Forschung zur Raumtemperatur-Supraleitung durch unvollständige theoretische Erklärungen eingeschränkt. Jetzt können Elektronenpaarung und Phasenkohärenz getrennt untersucht werden, was eine klarere Richtung für die nächste Stufe des Materialdesigns und der experimentellen Erforschung bietet.
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