AUF DER ZIELGERADEN

„Es ist fast schon erschreckend, wie gut das alles zusammenpasst”, sagt Hans-Peter Röser. „Das hätte niemand erwartet!” Der Astronom und Physiker, Professor am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart und dessen Direktor, ist kein Freund von Übertreibungen. Er wählt seine Worte mit Bedacht. Doch was er mit seinem Team entdeckt hat und inzwischen in Fachzeitschriften publizierte sowie auf internationalen Konferenzen vorstellte, ist eine kleine Sensation – und könnte bald eine größere werden. Röser fand nämlich einen einfachen Zusammenhang zwischen der Kristallgeometrie und der Sprungtemperatur der ominösen Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL). Supraleiter sind seltsame Stoffe: Ihr elektrischer Widerstand verschwindet plötzlich völlig, wenn sie unter eine bestimmte Temperatur abgekühlt werden. Der Wert dieser „Sprungtemperatur” hängt vom Material ab und kann durch Druck oder äußere Magnetfelder verändert werden.

Das merkwürdige Phänomen war erstmals 1911 von dem Niederländer Heike Kamerlingh Onnes beobachtet worden. Er maß, dass Quecksilber unterhalb von 4,19 Kelvin schlagartig seinen elektrischen Widerstand verliert. Kelvin ist eine absolute Temperaturangabe, wobei 0 Kelvin minus 273,15 Grad Celsius entspricht. In normalen Leitern entsteht der elektrische Widerstand durch die Wechselwirkung der Elektronen mit dem Kristallgitter des Materials und durch Streuprozesse der Elektronen untereinander. Verbinden sich diese Ladungsträger zu Paaren, wird die Energieabgabe an das Kristallgitter unterdrückt. Und bei tiefen Temperaturen reicht die Energie nicht aus, um die gekoppelten Elektronenpaare (Cooper-Paare) auseinanderzureißen – ein solches Duo lässt sich nicht mehr aufhalten, und der Strom fließt gleichsam widerstandslos. John Bardeen, Leon N. Cooper und John R. Schrieffer haben 1957 damit die Supraleitung erklärt, wofür sie 1972 den Physik-Nobelpreis erhielten.

Allerdings funktioniert dieses Modell nur für die konventionellen Supraleiter. 1986 entdeckten Johannes Georg Bednorz und Karl Alex Müller vom IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon bei Zürich, dass Lanthan-Barium-Kupferoxid bei 35 Kelvin supraleitend wird – wofür sie bereits im darauffolgenden Jahr mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Das war die Initialzündung für eine neue Klasse von Supraleitern, den kupferhaltigen HTSL. Der Sprungtemperatur-Rekord liegt seit dem Jahr 2000 bei 138 Kelvin. Indes: Wie sich die Supraleitung in den geschichteten Kristallstrukturen ausbildet, die von Quadraten aus vier Sauerstoff- und vier Kupfer-Atomen gebildet werden, ist noch weitgehend unklar.

DIE EISENZEIT DER SUPRALEITER

Umso erstaunlicher ist Rösers Entdeckung. Eine Modellübertragung aus der Halbleitertechnik stand dabei Pate. Die Distanzen zwischen den Dotierungspunkten – also Fehlstellen oder bestimmten zusätzlichen Atomen – in den HTSL-Kristallen sind umgekehrt proportional zur Sprungtemperatur. Die Messwerte der Sprungtemperaturen und Gittergrößen liegen exakt auf einer Geraden – als wären sie von Zauberhand dort platziert worden. Die Fehler sind fast überall weit unterhalb der Prozentmarke. Diese überraschende Korrelation hat Hans-Peter Röser mit einer einfachen Gleichung beschrieben (siehe Kasten „Erstaunlicher Zusammenhang”).

Doch damit nicht genug: Rösers Formel passt auch bei einer neuen HTSL-Familie. Sie wurde erst 2008 von Hideo Hosono am Tokio-Institut für Technologie entdeckt. Der Physiker stellte zu seiner großen Überraschung fest, dass fluordotiertes Lanthanoxid-Eisenarsenid, ein Halbmetall, bei 26 Kelvin supraleitend wird. Sofort begann hektische Forschungsaktivität. Wenige Wochen später schon synthetisierten mehrere Wissenschaftlergruppen, vor allem in China, weitere solche HTSL auf Eisen- und Nickel-Basis mit Sprungtemperaturen von bis zu 55 Kelvin – im völligen Gegensatz zur bisherigen Lehrbuchmeinung. „ Alle 30 von uns bereits überprüften HTSL mit Sprungtemperaturen zwischen 20 und 130 Kelvin bei normalen Druckverhältnissen stimmen mit der Formel überein. Kein einziger Stoff lag bislang daneben”, sagt Röser. „Das ist das erste Mal, dass sich die Sprungtemperaturen der Supraleiter berechnen lassen.”

Und es kommt noch besser, freut sich der Stuttgarter Forscher: „Inzwischen hat sich herausgestellt, dass man mit der Gleichung erstmals sogar die Übergangstemperatur des superflüssigen Helium-4 berechnen kann. Zudem liegen auch die Bose-Einstein-Kondensate auf der Geraden.” Somit gehorchen zwei weitere bizarre Quanteneigenschaften der Materie Rösers Gleichung: eine Flüssigkeit ohne innere Reibung und ein Materiezustand, bei dem alle Teilchen ihre Identität verlieren. Da es solche exotischen Eigenschaften auch im Inneren von ausgebrannten Sternen gibt, den Weißen Zwergen und den Neutronensternen, überdeckt die Formel 18 Größenordnungen. „Das ist Zündstoff, denn die Gleichung verbindet die mikroskopische Welt mit der makroskopischen”, räumt Röser ein. „Wir vermuten, dass all diesen Phänomen derselbe physikalische Prozess zugrunde liegt: eine Quantenkondensationsphase, die von der Heisenberg’s chen Unschärferelation abhängt und dem ,Material‘ beziehungsweise seiner Masse.”

VON PYTHAGORAS ZUR RAUMFAHRT

Noch ist das Echo der Fachwelt zwiegespalten. „Es gibt zwei Sorten von Reaktionen”, sagt Röser. „Ein Teil der Kollegen denkt: ,Es kann nicht sein, dass der Satz von Pythagoras – der unserer Gleichung zugrunde liegt – zur Lösung eines solchen Problems genügt, außerdem hätte man einen solchen Effekt doch längst gefunden.‘ Aber den Zusammenhang zwischen der Kristallstruktur-Geometrie und der Sprungtemperatur kann niemand wegdiskutieren. Andere Kollegen meinen, wir sollten alles andere stehen und liegen lassen und weiterforschen.” Und Forschungsmöglichkeiten gibt es noch viele – als nächstes will sich Röser den konventionellen Supraleitern und dem superflüssigen Helium-3 zuwenden.

Dass Rösers Gleichung Zündstoff birgt, hat noch einen anderen Grund. Denn das große Ziel, eine Erklärung der Supraleitung, ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant, sondern hätte ein enormes Anwendungspotenzial. Besonders interessant sind HTSL mit Sprungtemperaturen über 77 Kelvin, der Siedetemperatur von Stickstoff. Es würde als Kühlmittel zum Teil nur ein Hunderstel soviel kosten wie flüssiges Helium.

Um starke supraleitende Spulen zu bauen, sind sehr lange, aber nur wenige Mikrometer dünne Leiterfäden nötig. Das geht mit den spröden Keramiken der bekannten HTSL nicht. Die neu entdeckte metallische Klasse der eisen- und nickelhaltigen Stoffe könnte Abhilfe versprechen. Denn je biegsamer sie sind, desto besser eignen sie sich für die Herstellung von Kabeln. Manche Forscher sprechen schon von einem neuen „Eisenzeitalter”. „Supraleiter bergen auch großartige Perspektiven für die Raumfahrt”, sagt Röser. Denn ein verschwindender elektrischer Widerstand bedeutet gleichzeitig eine enorm hohe Wärmeleitfähigkeit. Ein Gedanke, der den Chef des Instituts für Raumfahrtsysteme besonders fasziniert, denn: „Supraleitende Beschichtungen, sofern bei hoher Temperatur und hohem Druck möglich, könnten den Eintritt von Raumfahrzeugen in die Erdatmosphäre weitaus ungefährlicher machen und neue Triebwerke ermöglichen, die bei ultrahohen Temperaturen nicht wegschmelzen. Und eine verlustlose Stromübertragung würde bei langen Weltraumreisen den Energieverbrauch erheblich reduzieren.” ■

von Rüdiger Vaas