Quantensprung für die nächste Generation von Superleitern

EU-finanzierte Wissenschaftler haben gezeigt, auf welche Weise Supraleiter bei höheren Temperaturen arbeiten können, und damit die Tür für zahlreiche neue industrielle Anwendungen geöffnet.

© Shutterstock

Quantenmaterialien – Materialen, die auf subatomarer Ebene entworfen werden – können eine Feinabstimmung durchlaufen, um extrem nützliche Eigenschaften zu erhalten, die meistens in der Natur nicht vorkommen. Dazu gehört die Supraleitung, die Fähigkeit, Strom unterhalb einer bestimmten Temperaturschwelle widerstandsfrei zu leiten.

Das ehrgeizige EU-finanzierte Sechsjahresprojekt Q-MAC (Frontiers in Quantum Materials Control) wurde erst 2013 auf den Weg gebracht, doch es hat bereits eine Reihe potenziell wichtiger Durchbrüche auf diesem Gebiet erzielt. Diese Ergebnisse könnten das europäische Verständnis der Supraleitfähigkeit erheblich voranbringen und zu neuen Industrieanwendungen wie Superrechner oder Schwebebahnen beitragen.

Supraleiter bei höheren Temperaturen

Das Team hat beispielsweise gezeigt, dass Supraleiter bei höheren Temperaturen arbeiten können, wenn man einen Laserstrahl auf sie richtet. Das ist von Bedeutung, da Supraleiter bisher nur bei sehr niedrigen Temperaturen funktionieren, für die teure Stoffe wie Stickstoff oder Helium erforderlich sind.

Supraleiter werden in zahlreichen Hightechgeräten wie etwa medizinischen Scannern, superschnellen elektronischen Rechnerschaltkreisen und in Zügen verwendet, bei denen supraleitfähige Magnete dazu dienen, um über den Schienen zu schweben und damit die Reibung auszuschalten. Die Entwicklung von Supraleitern, die bei höheren Temperaturen oder sogar Raumtemperatur arbeiten, könnte zur Kostensenkung beitragen, da keine Kühlung mehr erforderlich ist und zu neuen Anwendungen hinführen.

Nachdem sich das Q-MAC-Team auf Material aus Kalium- und Kohlenstoffatomen konzentriert hat, die in kugelförmigen Strukturen angeordnet sind, versucht es jetzt, andere Supraleiter zu finden, die dazu gebracht werden können, bei noch höheren Temperaturen zu arbeiten. Die Forscher versuchen jetzt, neue Metamaterialien zu entwickeln. Das sind Materialien, die nicht in der Natur vorkommen und eine optimierte Supraleitfähigkeit bieten.

Hochtemperatursupraleiter für praktische Anwendungen

Ein weiteres wichtiges Ziel ist, die Stabilität von Hochtemperatursupraleitern sicherzustellen, die für praktische Anwendungen genutzt werden können. Das geht allerdings nicht so einfach. Superleitfähigkeit bei hohen Temperaturen ist eine empfindliche Eigenschaft, die nur sehr schwer über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden kann.

Dass ein System nicht durch Wärme oder andere Umweltfaktoren gestört wird, ist daher eine echte Herausforderung. Um diese zu bewältigen untersucht das Team jetzt die Möglichkeit, das supraleitende System zwischen Schutzschichten eines speziell entwickelten Materials einzupacken, das diese Störfaktoren ausschließen würde. Man wird neuartige experimentelle Verfahren in Kombination mit fortschrittlichen Computersimulationen ausführen.

Das Q-MAC-Projektteam hat auch entdeckt, dass extrem kurze Röntgenpulse eingesetzt werden können, um Schwingungen in Kristallen zu erreichen, die eine Veränderung der magnetischen Eigenschaften in einer im Atommaßstab dünnen Schicht auf der Oberfläche hervorrufen kann. Dieser atomar dünne Oxidfilm besitzt andere Eigenschaften, die sich von denen in seiner Reinform stark unterscheiden.

Dadurch werden komplexe Oxidstrukturen zu einem vielseitigen Tool, um Materialien und Bauelementeigenschaften technisch weiterzuentwickeln. Solche superschnellen, leicht steuerbaren Metamaterialien könnten zu neuen Anwärtern für magnetische Speichertechnologien führen.

Neben der praktischen Anwendung konzentriert sich das Q-MAC-Projekt auch auf die Entwicklung eines akkuraten theoretischen Verständnisses zum Verhalten von Atomen und Elektronen in Quantenmaterialien. Das Q-MAC-Projekt soll planmäßig bis September 2019 laufen.

Weitere Informationen finden Sie auf der:
Q-MAC Projektwebsite

Länder

Deutschland