Neue Erkenntnisse zur Supraleitung in wasserstoffreichen Verbindungen

Neue Erkenntnisse zur Supraleitung in wasserstoffreichen Verbindungen

Neue Erkenntnisse zur Supraleitung in wasserstoffreichen Verbindungen

Hochdruck-Elektronentunnel-Spektroskopie enthüllt supraleitende Energielücke in H₃S und D₃S

1. April 2025

Ein internationales Forschungsteam hat bahnbrechende Beweise zur Supraleitung in wasserstoffreichen Materialien vorgelegt. Die in der Fachzeitschrift Nature am 23. April 2025 veröffentlichten Ergebnisse liefern den ersten direkten mikroskopischen Nachweis dafür, wie diese Stoffe Strom ohne Widerstand leiten. Im Mittelpunkt der Studie steht die Messung der Energielücke in H₃S – einer Verbindung, die selbst bei ungewöhnlich hohen Temperaturen supraleitend bleibt.

Die Arbeit wurde federführend vom Max-Planck-Institut für Chemie durchgeführt, mit Beiträgen von Wissenschaftler:innen wie Feng Du, Alexander P. Drozdov und Mikhail I. Eremets sowie Ming Shi, Kui Zhao und Tao Xiang.

Supraleiter sind Materialien, die den Stromfluss ohne Energieverlust in Form von Wärme ermöglichen. Sie könnten revolutionäre Anwendungen in Stromnetzen, Magnetschwebebahnen oder Quantencomputern finden. Allerdings funktionieren die meisten Supraleiter nur bei extrem tiefen Temperaturen, was ihre praktische Nutzung stark einschränkt. Wasserstoffreiche Verbindungen wie H₃S oder LaH₁₀ brechen dieses Muster, da sie auch weit oberhalb des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff supraleitend bleiben.

Das Team nutzte die Hochdruck-Elektronentunnel-Spektroskopie, um H₃S und dessen deuteriumbasiertes Pendant D₃S zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass H₃S eine supraleitende Energielücke von etwa 60 Millielektronenvolt (meV) aufweist, während die Lücke bei D₃S mit rund 44 meV kleiner ausfällt. Dieser Unterschied stützt eine seit Jahrzehnten bestehende Theorie: Die Supraleitung in diesen Materialien entsteht durch Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Gitterschwingungen, den sogenannten Phononen. Die Energielücke selbst ist ein zentrales Merkmal von Supraleitern – sie zeigt, wie sich Elektronen paaren, um widerstandsfrei durch das Material zu bewegen. Durch ihre Messung lassen sich die Mechanismen hinter der Hochtemperatur-Supraleitung in wasserstoffreichen Stoffen besser verstehen.

Die unter dem Titel „Gemessene supraleitende Energielücke von H₃S mittels Tunnel-Spektroskopie“ veröffentlichte Studie markiert einen wichtigen Schritt zur Bestätigung theoretischer Modelle. Gleichzeitig eröffnet sie neue Wege für die Entwicklung von Supraleitern, die unter weniger extremen Bedingungen funktionieren könnten.

Die Entdeckung liefert handfeste Belege für den Zusammenhang zwischen Elektron-Phonon-Wechselwirkungen und der Supraleitung in H₃S. Mit den nun gemessenen Energielücken verfügen Forscher:innen über ein klareres Bild davon, wie diese Materialien bei hohen Temperaturen arbeiten. Langfristig könnte dies den Weg zu effizienteren Energietechnologien und fortschrittlichen supraleitenden Anwendungen ebnen.