Eisenbasierte Hochtemperatursupraleiter

Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke, Dr. Matthias Grüne

Unter Supraleitung versteht man das physikalische Phänomen, dass bestimmte Materialien unterhalb einer für sie typischen Temperatur (so genannte Sprungtemperatur oder auch kritische Temperatur) ihren elektrischen Widerstand vollständig verlieren und ideale Leiter werden. Ab Ende der 1980er Jahre kam es zu einem regelrechten Hype um die damals entdeckten Hochtemperatursupraleiter (HTSL) auf Kupferoxidbasis. Die anfängliche Euphorie mit der Aussicht auf Materialien mit immer höheren Sprungtemperaturen ist inzwischen einer gewissen Ernüchterung gewichen.

Probleme gibt es insbesondere mit der Fertigung in Form langer Drähte, und auch die erforderlichen Temperaturen liegen immer noch weit unterhalb der Raumtemperatur. Die größte Herausforderung für eine gezielte Weiterentwicklung liegt in der immer noch fehlenden geschlossenen Theorie und Modellbildung. Gerade hier erhofft man sich Abhilfe durch eine vor kurzem entdeckte neue Klasse von Supraleitern auf Eisenbasis, die ein Schlüssel zum Verständnis der Hochtemperatursupraleitung werden könnte.

Die bereits seit 1911 bekannten „konventionellen“ metallischen Supraleiter besitzen so niedrige Sprungtemperaturen, dass eine aufwändige Kühlung mit ß üssigem Helium (Siedetemperatur 4,2 K; 0 K = –273,15°C) erforderlich ist. Sie sind im Moment immer noch die einzigen großtechnisch eingesetzten Supraleiter und werden etwa in Kernspintomographen zur Erzeugung hoher Magnetfelder genutzt. Das am häufigsten verwendete Material sind immer noch Niob oder bestimmte Niob-Legierungen, welche aufgrund ihrer ausgezeichneten Verformbarkeit die problemlose Herstellung von Drähten auch in einer für den Magnetbau erforderlichen Länge von mehreren Kilometern erlauben.

Die wichtigsten Vertreter der keramischen Hochtemperatursupraleiter basieren bis heute auf so genannten Cupraten (Kupferoxiden). Nachdem man zunächst Sprungtemperaturen über 30 K realisiert hatte, fand man innerhalb kurzer Zeit zahlreiche Stoffe, die bereits oberhalb der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs (77 K) supraleitend werden. Die zunächst rasante Entwicklung der kritischen Temperaturen stagniert jedoch schon seit einigen Jahren. Der derzeit höchste Wert für die Sprungtemperatur liegt bei ungefähr 138K. Ein weiteres wesentliches Problem für die Anwendung der HTSL ist die Tatsache, dass beim Supraleitungseffekt das äußere Magnetfeld und die zu tragende Stromdichte eine ebenso wichtige Rolle spielen wie die Temperatur und ebenfalls einen kritischen Wert nicht überschreiten dürfen. Kommt eine der drei Größen in die Nähe des für sie maximalen Wertes, müssen die beiden anderen gegen Null gehen.

Neuen Schwung hat die festkörperphysikalische Erforschung der Hochtemperatursupraleitung inzwischen durch die Entdeckung einer neuen Klasse von eisenhaltigen Supraleitern bekommen, den so genannten Eisen-Pniktiden. Diese neuen Verbindungen basieren wie die Cuprate auf Kristallstrukturen aus sich abwechselnden Schichten. ImFall des zuerst entdeckten supraleitenden Eisen-Pniktids bestehen diese verschiedenen Schichten alternierend aus Lanthanoxid und aus Eisenarsenid, wobei ein geringer Teil der Sauerstoffatome durch Fluor substituiert ist(„Dotierung“). Das erste untersuchte LaO(F) FeAs hatte eine Sprungtemperatur von 26 K. Um diese zu erhöhen, wurden bereits von den Cupraten bekannte Rezepte des Dotierens sowie neue Ansätze erfolgreich ausprobiert. Der Aktuelle Rekord liegt bei ca. 56 K. Alle in diesem Zusammenhang bisher untersuchten Substanzen basieren auf Eisenarsenid. Trotz der immer noch niedrigen erreichten Sprungtemperaturen könnten eisenhaltige Supraleiter langfristig auch für den technischen Einsatz interessant werden, da sie neuesten Forschungsergebnissen zufolge je nach Konfiguration relativ hohe Stromstärken und Magnetfeldstärken aushalten. Damit wären sie z.B. für den Einsatz in supraleitenden Magneten prädestiniert.

Ihre wichtigste Bedeutung wird bisher allerdings darin gesehen, dass sich an ihnen grundlegende Effekte und Mechanismen der Hochtemperatursupraleitung besser untersuchen lassen als an den Cupraten. So reagieren Eisen-Pniktide im Vergleich zu den Cupraten sehr robust auf chemische Veränderungen. Diese Tatsache ermöglicht es, die Auswirkungen verschiedener chemischer Parameter auf die Supraleitung zu untersuchen.

Des weiteren ist es inzwischen gelungen, den supraleitenden Zustand der Pniktide statt durch Dotierung auch durch Ausübung hoher Drücke zu erreichen. Bei beiden Prozessen wird das Kristallgitter verzerrt und die Position der Atome zueinander verändert. Optimale Ergebnisse für die Supraleitungsfähigkeit haben sich ergeben, wenn die Eisen- und Arsenatome regelmäßige Tetraeder bilden. Daraus kann man schließen, dass die Geometrie der Atomanordnung eine entscheidende Rolle beim Entstehen der Supraleitung spielt. Demnach könnte die Supraleitung auch beim Dotieren nicht wie bisher angenommen nur durch die zusätzlichen Ladungsträger begünstigt werden, sondern auch auf Grund der Verzerrung des Kristallgitters durch die eingebrachten Fremdatome. Mit großer Wahrscheinlichkeit sind derartige Ergebnisse auch auf die Cuprate übertragbar.

Für viele Anwendungen bleiben konventionelle metallische Supraleiter auf absehbare Zeit die einzig realistische Option, zumal der durch die einfachere Kühlung zu erzielende Einsparungseffekt der HTSL oft einen überraschend geringen Anteil an den Gesamtkosten einer Anlage ausmacht. Das gilt z.B. für die Erzeugung starker Magnetfelder in Kernspintomographen oder Teilchenbeschleunigern. Das wichtigste Anwendungsfeld für Cuprate ist heute die hochgenaue Messung von Magnetfeldern z.B. im menschlichen Gehirn oder in der zerstörungsfreien Materialprüfung. Hier werden sie für so genannte SQUIDs verwendet, welche die Magnetfeldabhängigkeit des bei Supraleitern auftretenden quantenmechanischen Josephson-Effektes nutzen.

Die eisenhaltigen Hochtemperatursupraleiter sind ebenso wie die Cuprate Keramiken mit allen damit zu erwartenden Schwierigkeiten z.B. bei der Fertigung ausreichend langer Drähte. Außerdem sind sie gegenüber denCupraten in ihrer Entwicklung noch einige Jahre im Rückstand. Trotzdem könnten sie gegenüber diesen möglicherweise technisch ausschlaggebende Vorteile haben, z.B. bei der zu tragenden Magnetfeldstärke. Ihre wesentliche Rolle wird heute aber darin gesehen, die grundlegenden Fragen der Funktionsweise von Hochtemperatursupraleitern lösen zu helfen. Sie könnten damit dazu beitragen, dass HTSL langfristig auch in spektakulären Anwendungen wie dem verlustfreien Stromtransport über weite Strecken oder in Magnetschwebebahnen zuverlässig und wirtschaftlich einsetzbar sind.

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