Schon im Jahr 1911 entdeckte der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes, dass Quecksilber bei sehr tiefen Temperaturen seinen elektrischen Widerstand verliert. Er nannte das Phänomen „Supraleitung“, für das sich in der englischen Literatur der Begriff „superconductivity“ durchgesetzt hat. Es muss dazu aber wirklich extrem kalt sein: Um den Effekt zu erzielen, tauchte Onnes das Quecksilber in flüssiges Helium mit einer Temperatur von –269 Grad Celsius – nur etwa vier Grad über dem absoluten Nullpunkt. Für seine Entdeckung erhielt Onnes im Jahr 1913 den Nobelpreis für Physik.
Da Quecksilber bei Raumtemperatur flüssig ist, eignet es sich nicht, um Draht daraus herzustellen. Aber in den 1960er-Jahren entdeckten Physiker eine Reihe von Legierungen, die sich ähnlich verhalten, zum Beispiel eine Kombination aus Niob und Titan (NbTi). Diese Supraleiter werden heute besonders für Anwendungen eingesetzt, die starke Magnetfelder benötigen. Sie können starke elektrische Ströme verkraften und damit die Größe der Geräte verringern. In den meisten Magnetresonanztomographen, Magnetschwebebahnen und auch den Magneten des Large Hadron Colliders am CERN kommen solche Legierungen zum Einsatz. Auch sie werden mit Helium gekühlt. Das flüssige Edelgas wird dabei in einem geschlossenen Kreislauf geführt, muss also nur selten ersetzt werden.
Einen Leiter mit flüssigem Helium auf einige Grad über dem absoluten Nullpunkt zu kühlen, ist zwar für spezielle Anwendungen möglich, aber sowohl aufwendig als auch teuer. Deshalb suchen Wissenschaftler schon seit Onnes nach Materialien, die bei höheren Temperaturen – idealerweise Raumtemperatur – ihren elektrischen Widerstand verlieren. In den 1980er-Jahren wurden sie fündig: Keramische Materialien mit Kupferoxiden (Cuprate) werden bereits bei einer sogenannten „Sprungtemperatur“ von etwa –200 Grad Celsius supraleitend. Das ist zwar immer noch kalt, aber immerhin über dem Siedepunkt von Stickstoff und deshalb wesentlich einfacher zu erreichen. Auch für diese Entdeckungen gab es 1987 einen Nobelpreis.
Keiner weiß, wie’s funktioniert
Doch trotz intensiver Forschung konnte selbst unter jenen „Hochtemperatur-Supraleitern“ (HTSLs) kein Material gefunden werden, dessen „hohe“ Sprungtemperatur über –137 Grad Celsius liegt. Einer der Gründe dafür ist wohl, dass HTSLs grundsätzlich anders funktionieren als die Niedrigtemperatur-Supraleiter, die Onnes entdeckte: Während die Ursachen für das außergewöhnliche Verhalten der Niedrigtemperatur-Supraleiter bereits seit Jahrzehnten sehr gut verstanden sind, bleibt die Funktionsweise der HTSLs dagegen bis heute ein Rätsel. Und ohne Theorie ist das Problem mit den HTSLs ähnlich dem der Medikamentenentwicklung: Es gibt extrem viele Möglichkeiten, chemische Elemente miteinander zu kombinieren. Doch ohne eine Methode, die supraleitenden Eigenschaften dieser Kombinationen vorherzusagen, ist die Wahrscheinlichkeit gering, nur durch Ausprobieren und Zufall bessere Supraleiter zu finden.
