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Widerstandsverlust

Erstmals Supraleiter aus Nickeloxid-Kristallen erzeugt

Der neue Supraleiter aus Nickelat verliert seinen elektrischen Widerstand bei minus 258,6 Grad Celsius. Weitere Experimente sollen nun einen Hochtemperatur-Supraleiter erzeugen, der bei Raumtemperatur Strom ohne Widerstand leiten kann.

Stanford (U.S.A.). Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPI) haben erst vor wenigen Monaten einen Supraleiter aus Lanthanhydrid erzeugt, der eine Sprungtemperatur von minus 23 Grad Celsius besitzt. Vorher bekannte Supraleiter aus Graphen, Metallhydriden, Schwefelwasserstoff und Cupraten können erst nahe des absoluten Nullpunkts Strom ohne Widerstand leiten. Ein Material, das auch bei normaler Raumtemperatur und bei normalen Druckverhältnissen als Supraleiter genutzt werden kann, hat die Forschung hingegen noch nicht entdeckt.  

Problematisch bei der Suche nach Supraleitern ist vor allem, dass bis heute nicht vollständig geklärt werden konnte, wann ein Material supraleitend wird. Wissenschaftler suchen aus diesem Grund im Periodensystem nach Elementen deren Verbindungen Supraleiter bilden könnten.

Nickeloxide und Cuprate besitzen ähnliche Eigenschaften

Forscher des zur Universität Stanford gehörenden SLAC National Accelerator Laboratory haben bei der Suche nach neuen Supraleitern ihren Fokus auf Nickel gelegt, das im Periodensystem direkt neben Kupfer steht. Laut der im Fachmagazin Nature veröffentlichten Studie fiel die Wahl auf das Material, da Nickeloxide eine Kristallstruktur bildet, die der von Cupraten, die wie bereits nachgewiesen Supraleiter erzeugen können, sehr ähnlich ist. Möglicherweise können Nickelate, dies sind Nickeloxide, aus diesem Grund Hochtemperatur-Supraleiter erzeugen.

Kristallstruktur der Nickeloxide nicht stabil

Die Produktion eines Supraleiters aus Nickeloxiden ist bisher stets daran gescheitert, dass es nicht möglich war, die dafür notwendige Struktur zu erzeugen. Laut Danfeng Li, Autor der Studie liegt dies daran, dass „das Nickelat bei den hohen Temperaturen von rund 600 Grad, unter denen diese Materialien normalerweise entstehen, nicht stabil ist.“ Die Wissenschaftler mussten daher wie Li erklärt „mit einer Verbindung beginnen, die sie stabil bei dieser Hitze erzeugen konnten und diese dann bei niedrigeren Temperaturen in die gewünschte Form umwandeln.“

Genutzt wurde dafür ein neodymhaltiges Nickeloxid (NdNiO3), das ultradünne Kristalle auf einer Strontium-Titanoxid (SrTiO3) Platte bildete. Anschließend wurde diese Struktur dann in einem mehrstufigen Prozess in ein strontiumhaltiges Nickelat umgewandelt, was dazu führte, dass die Struktur des Materials einen „Infinite-Layer“ bildete. Es handelt sich dabei um eine Kristallstruktur, aus der sich Supraleiter erzeugen lassen.

Anderes Verhalten als Cuprate

Im darauffolgenden Test zeigte sich, dass das mit Strontium dotierte Nickelat beim Herunterkühlen bei minus 258,6 Grad Celsius supraleitend wird. Es ist damit bewiesen, dass nicht nur Cuprate, sondern auch bestimmte Nickelate Supraleiter werden können. Die Eigenschaften der beiden Supraleiter unterscheiden sich in einigen Punkten jedoch deutlich, zum Beispiel darin, dass Nickelate im Gegensatz zu Cupraten nicht magnetisch sind. Laut Li könnte dies bedeuten, dass die der Widerstandsverlust bei beiden Materialien unterschiedliche physikalische Ursachen hat.

Harold Hwang, Co-Autor der Studie fügt hinzu, dass „noch einiges an Arbeit und Experimenten vor den Wissenschaftlern liegt“. Das Ziel des Teams ist es den Nickeloxiden eine Form zu geben, die Hochtemperatur-Supraleiter ermöglicht.

Nature, doi: 10.1038/s41586-019-1496-5

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