Wie die Supraleitung bei Raumtemperatur die Welt verändern könnte

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Magnetschwebebahnen an der Tagesordnung sind, Computer blitzschnell sind, Stromkabel nur geringe Verluste aufweisen und neue Partikeldetektoren existieren. Dies ist die Welt, in der Raumtemperatur-Supraleiter Realität sind. Bisher ist dies ein Traum der Zukunft, aber die Wissenschaftler sind der Erreichung der Supraleitung bei Raumtemperatur näher als je zuvor.

Was ist Raumtemperatur-Supraleitung??

Ein Raumtemperatur-Supraleiter (RTS) ist eine Art Hochtemperatur-Supraleiter (High-T)_c oder HTS), der näher an der Raumtemperatur als am absoluten Nullpunkt arbeitet. Die Betriebstemperatur über 0 ° C (273,15 K) liegt jedoch immer noch weit unter der für die meisten von uns "normalen" Raumtemperatur (20 bis 25 ° C). Unterhalb der kritischen Temperatur hat der Supraleiter einen elektrischen Widerstand von Null und wird von Magnetflussfeldern ausgestoßen. Obwohl es sich um eine zu starke Vereinfachung handelt, kann die Supraleitung als Zustand perfekter elektrischer Leitfähigkeit angesehen werden.

Hochtemperatursupraleiter zeigen Supraleitung über 30 K (−243,2 ° C). Während ein herkömmlicher Supraleiter mit flüssigem Helium gekühlt werden muss, um supraleitend zu werden, kann ein Hochtemperatursupraleiter unter Verwendung von flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Ein Raumtemperatur-Supraleiter hingegen könnte mit gewöhnlichem Wassereis gekühlt werden. 

Die Suche nach einem Raumtemperatur-Supraleiter

Die kritische Temperatur für die Supraleitung auf eine praktische Temperatur zu bringen, ist ein heiliger Gral für Physiker und Elektrotechniker. Einige Forscher glauben, dass die Supraleitung bei Raumtemperatur unmöglich ist, während andere auf Fortschritte verweisen, die bereits früher angenommen wurden.

Die Supraleitung wurde 1911 von Heike Kamerlingh Onnes in festem, mit flüssigem Helium gekühltem Quecksilber entdeckt (Nobelpreis für Physik 1913). Erst in den 1930er Jahren schlugen Wissenschaftler eine Erklärung vor, wie Supraleitung funktioniert. Fritz und Heinz London erklärten 1933 den Meissner-Effekt, bei dem ein Supraleiter interne Magnetfelder ausstößt. Ausgehend von Londons Theorie wurden Erklärungen für die Ginzburg-Landau-Theorie (1950) und die mikroskopische BCS-Theorie (1957, benannt nach Bardeen, Cooper und Schrieffer) aufgenommen. Nach der BCS-Theorie schien Supraleitung bei Temperaturen über 30 K verboten zu sein. 1986 entdeckten Bednorz und Müller den ersten Hochtemperatursupraleiter, ein Cuprat-Perowskit-Material auf Lanthan-Basis mit einer Übergangstemperatur von 35 K. Die Entdeckung 1987 erhielt sie den Nobelpreis für Physik und öffnete die Tür für neue Entdeckungen.

Der bisher höchste Supraleiter, der 2015 von Mikhail Eremets und seinem Team entdeckt wurde, ist Schwefelhydrid (H₃S). Schwefelhydrid hat eine Übergangstemperatur um 203 K (-70 ° C), jedoch nur unter extrem hohem Druck (um 150 Gigapascal). Forscher sagen voraus, dass die kritische Temperatur über 0 ° C steigen könnte, wenn die Schwefelatome durch Phosphor, Platin, Selen, Kalium oder Tellur ersetzt werden und ein noch höherer Druck angewendet wird. Obwohl Wissenschaftler Erklärungen für das Verhalten des Schwefelhydrid-Systems vorgeschlagen haben, konnten sie das elektrische oder magnetische Verhalten nicht replizieren.

Für andere Materialien als Schwefelhydrid wurde ein supraleitendes Verhalten bei Raumtemperatur beansprucht. Der Hochtemperatursupraleiter Yttriumbariumkupferoxid (YBCO) könnte bei 300 K unter Verwendung von Infrarotlaserpulsen supraleitend werden. Der Festkörperphysiker Neil Ashcroft sagt voraus, dass fester metallischer Wasserstoff nahe Raumtemperatur supraleitend sein sollte. Das Harvard-Team, das behauptete, metallischen Wasserstoff herzustellen, berichtete, dass der Meissner-Effekt bei 250 K beobachtet worden sein könnte. Basierend auf der exzitonenvermittelten Elektronenpaarung (nicht der phononenvermittelten Paarung der BCS-Theorie) könnte eine Hochtemperatursupraleitung in organischen Verbindungen beobachtet werden Polymere unter den richtigen Bedingungen.

Die Quintessenz

In der wissenschaftlichen Literatur finden sich zahlreiche Berichte über die Supraleitung bei Raumtemperatur. Ab 2018 scheint dies möglich zu sein. Der Effekt hält jedoch selten lange an und ist teuflisch schwer zu reproduzieren. Ein weiteres Problem ist, dass extremer Druck erforderlich sein kann, um den Meißner-Effekt zu erzielen. Sobald ein stabiles Material hergestellt ist, sind die offensichtlichsten Anwendungen die Entwicklung einer effizienten elektrischen Verkabelung und leistungsfähiger Elektromagnete. Von dort ist der Himmel die Grenze, was die Elektronik betrifft. Ein Raumtemperatur-Supraleiter bietet die Möglichkeit, bei einer praktischen Temperatur keinen Energieverlust zu verursachen. Die meisten Anwendungen von RTS sind noch unvorstellbar.

Wichtige Punkte

• Ein Raumtemperatur-Supraleiter (RTS) ist ein Material, das oberhalb einer Temperatur von 0 ° C supraleitfähig ist. Es ist bei normaler Raumtemperatur nicht unbedingt supraleitend.
• Obwohl viele Forscher behaupten, die Supraleitung bei Raumtemperatur beobachtet zu haben, war es Wissenschaftlern nicht möglich, die Ergebnisse zuverlässig zu reproduzieren. Es gibt jedoch Hochtemperatursupraleiter mit Übergangstemperaturen zwischen –243,2 ° C und –135 ° C.
• Mögliche Anwendungen von Raumtemperatur-Supraleitern sind schnellere Computer, neue Methoden der Datenspeicherung und eine verbesserte Energieübertragung.

Referenzen und Lesevorschläge

• Bednorz, J. G .; Müller, K. A. (1986). Möglicherweise hohe TC-Supraleitung im Ba-La-Cu-O-System. Zeitschrift für Physik B. 64 (2): 189 & ndash; 193.
• Drozdov, A. P .; Eremets, M. I .; Troyan, I. A .; Ksenofontov, V .; Shylin, S. I. (2015). Konventionelle Supraleitung bei 203 Kelvin bei hohen Drücken im Schwefelhydridsystem. Natur. 525: 73 & ndash; 6.
• Ge, Y. F .; Zhang, F .; Yao, Y. G. (2016). "Erste-Prinzipien-Demonstration der Supraleitung bei 280 K in Schwefelwasserstoff mit geringer Phosphorsubstitution". Phys. Rev. B. 93 (22): 224513.
• Khare, Neeraj (2003). Handbuch der Hochtemperatur-Supraleiterelektronik. CRC-Presse.
• Mankowsky, R .; Subedi, A .; Först, M .; Mariager, S. O .; Chollet, M .; Lemke, H. T .; Robinson, J. S .; Glownia, J. M .; Minitti, M. P .; Frano, A .; Fechner, M .; Spaldin, N. A .; Loew, T .; Keimer, B .; Georges, A .; Cavalleri, A. (2014). "Nichtlineare Gitterdynamik als Grundlage für verbesserte Supraleitung in YBa₂Cu₃Ö_6.5". Natur. 516 (7529): 71 & ndash; 73. 
• Mourachkine, A. (2004). Raumtemperatur-Supraleitung. Cambridge International Science Publishing.