Nur wenige Materialien verfügen über die unheimliche Fähigkeit, einen Strom praktisch ohne Widerstand zu leiten, was als Supraleitung bekannt ist. Die kleinste Handvoll davon kommt in der Natur vor.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass ein Material mit einer in der Natur vorkommenden Formel in der Lage ist, bei niedrigen Temperaturen zu supraleiten, ohne die typischen Quantentricks anzuwenden. Damit ist es der erste unkonventionelle Supraleiter seiner Art.
Supraleiter sind faszinierend und zugleich enorm nützlich, denn sie leiten Strom ohne Energieverlust. Dies ist typischerweise darauf zurückzuführen, dass ihre Elektronen in sogenannten Cooper-Paaren identisch sind, was es ihnen ermöglicht, relativ leicht durch ein Durcheinander von Atomen zu schlüpfen.
Cooper-Paare in unkonventionellen Supraleitern verbinden sich auf eine Art und Weise, die in frühen Modellen zur Supraleitung nicht beschrieben wurde, was auch bedeutet, dass sie bei höheren Temperaturen auftreten.
Durch eine Reihe detaillierter Labortests hat ein internationales Forscherteam herausgefunden, dass das Mineral Miassit – das bereits als Supraleiter bekannt ist – die Eigenschaften eines unkonventionellen Supraleiters aufweisen kann.
Dass Miassit in der Natur vorkommt und etwas ist, was Wissenschaftler im Labor synthetisieren können, macht es noch seltener. Es ist jedoch erwähnenswert, dass es unwahrscheinlich ist, dass in der Natur gefundene Miassitstücke jemals die erforderliche Reinheit aufweisen würden, um als unkonventioneller Supraleiter zu funktionieren.
„Intuitiv denkt man, dass dies etwas ist, das absichtlich bei einer gezielten Suche erzeugt wird und dass es in der Natur unmöglich existieren kann“, sagt der Physiker Ruslan Prozorov von der Iowa State University. „Aber es stellt sich heraus, dass es so ist.“
Um die unkonventionelle Supraleitung von Miassit nachzuweisen, wurden drei verschiedene Tests verwendet, darunter der Londoner Eindringtiefentest, der die Reaktion des Materials auf ein schwaches Magnetfeld misst.
Bei einem weiteren Test wurden Defekte im Material erzeugt, die sich auf die Temperatur auswirken können, bei der es zum Supraleiter wird. Unkonventionelle Supraleiter reagieren viel empfindlicher auf die durch diese Defekte verursachte Störung als herkömmliche supraleitende Materialien.
Die Entdeckung erfolgte im Rahmen der Bemühungen, neue, neuartige Materialien zu finden, um Bereiche wie die Quantenwissenschaft voranzutreiben. Das führte das Team zu miassite (Rh17S15), das ein Element mit hohem Schmelzpunkt (Rhodium) mit einem flüchtigen Element (Schwefel) kombiniert.
„Im Gegensatz zur Natur der reinen Elemente beherrschen wir die Verwendung von Mischungen dieser Elemente, die das Wachstum von Kristallen bei niedriger Temperatur und minimalem Dampfdruck ermöglichen“, sagt der Physiker Paul Canfield von der Iowa State University.
„Es ist, als würde man ein verstecktes Angelloch voller großer, fetter Fische finden. Im Rh-S-System haben wir drei neue Supraleiter entdeckt.“
Supraleiter werden bereits in großem Umfang in Technologien wie MRT-Scannern und großen Teilchenbeschleunigern eingesetzt, aber hier gibt es noch viel mehr Potenzial. Angesichts der einzigartigen Natur von Miassit könnte es einen großen Teil dieses Potenzials ausmachen – insbesondere in seiner reinen, synthetisierten Form.
Unkonventionelle Supraleiter mögen komplex sein, aber sie sind auch spannend, denn sie versprechen neue Entdeckungen in der Physik und neue Einsatzmöglichkeiten für die Supraleitertechnologie.
„Die Aufklärung der Mechanismen hinter unkonventioneller Supraleitung ist der Schlüssel zu wirtschaftlich sinnvollen Anwendungen von Supraleitern“, sagt Prozorov.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Kommunikationsmaterialien.