Neuer Blick auf Hochtemperatur-Supraleiter

Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat einen methodischen Durchbruch bei der Charakterisierung von Superhydriden erzielt, einer vielversprechenden Klasse von Hochtemperatursupraleitern. Erstmals gelang die kernspinresonanzspektroskopische (NMR) Analyse von Lanthan-Superhydriden unter extremen statischen Drücken.

Die fundamentale Eigenschaft von Supraleitern ist das vollständige Verschwinden des elektrischen Widerstands unterhalb einer materialspezifischen kritischen Sprungtemperatur (T_c). Da die Übergangstemperaturen konventioneller Materialien meist unterhalb von 140 Kelvin (minus 133 Grad Celsius) liegen und somit eine kryogene Kühlung erfordern, fokussiert sich die Festkörperforschung intensiv auf die Synthese und Charakterisierung von Phasen mit signifikant höheren Übergangstemperaturen.

Superhydride stellen wasserstoffreiche Interstitialverbindungen dar, bei denen ein Metallgitter – wie das des Lanthans – in ein hochverdichtetes Wasserstoff-Wirtsgitter eingebettet ist. Unter ultrahohen Drücken im Megabar-Bereich, analog zu den Bedingungen in planetaren Kernen, induzieren diese Systeme außergewöhnliche elektronische Zustände und zeigen Supraleitung nahe der Raumtemperatur. Folglich hält diese Materialklasse den aktuellen Weltrekord für die höchsten experimentell nachgewiesenen Sprungtemperaturen.

Zur Generierung dieser Phasenzustände komprimierte das Team die Proben in Diamantstempelzellen (DAC) auf Drücke von über einer Million Atmosphären. Die primäre analytische Herausforderung lag in den extrem geringen Probenvolumina im Mikrometerbereich, welche die experimentelle Detektionsgrenze und Präzision der NMR-Spektroskopie maximal fordern.

Magnetische Superlinsen im Mikromaßstab

Die methodische Innovation basiert auf dem Einsatz sogenannter Lenzlinsen – mikrostrukturierter, leitfähiger Ringelemente –, die eine gezielte räumliche Fokussierung und signifikante Verstärkung der für die Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) erforderlichen Hochfrequenzfelder direkt im Probenraum bewirken. Diese lokale Feldkonzentration ermöglicht erst die hochauflösende NMR-Analytik unter den extremen Randbedingungen einer Diamantstempelzelle. „Wir mussten die Hochfrequenzfelder exakt dort bündeln, wo sich die Probe zwischen den Diamanten befindet – auf eine Ausdehnung von nur wenigen zehn Mikrometern, also kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares“, erklärt Dr. Florian Bärtl. „Mit Hilfe der Lenzlinsen konnten wir das Hochfrequenz-Signal so weit verstärken, dass erstmals aussagekräftige NMR-Daten an Superhydriden zugänglich wurden.“ Die resultierenden spektroskopischen Datensätze erlauben direkte Rückschlüsse auf die atomaren Eigenschaften sowie die elektronische Struktur dieser Materialklasse und tragen maßgeblich zu deren mechanistischem Verständnis bei.

Höchste Magnetfelder als zusätzlicher Prüfstein

In vorangegangenen Untersuchungen charakterisierte das Konsortium die Materialien bereits im Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) mittels Magnetowiderstandsmessungen in gepulsten Magnetfeldern. Diese extremen Feldstärken fungieren als Belastungstest für die supraleitende Phase, da sie die kritische obere Feldgrenze (B_c2) determinieren, bis zu welcher der verlustfreie Stromtransport stabil bleibt.

Erst die methodische Synergie beider Ansätze – der In-situ-NMR-Spektroskopie unter Hochdruck und der Transportmessungen in extremen Magnetfeldern – generiert ein holistisches Verständnis der quantenmechanischen und physikalischen Parameter dieser Materialklasse.

Die experimentellen Arbeiten erfolgten in enger Kooperation mit Hochdruckspezialisten des Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research (HPSTAR) in Peking. „Die Kooperation mit dem HLD war entscheidend für unser Projekt“, sagt Dr. Dmitrii Semenok. „Die hier verfügbaren Hochfeldanlagen und die Expertise in Hochfrequenztechnik bieten ideale Voraussetzungen für diese Experimente.“

Das langfristige strategische Ziel des Konsortiums fokussiert sich auf die Aufklärung der mikroskopischen Mechanismen, die der Hochtemperatur-Supraleitung in diesen wasserstoffreichen Systemen zugrunde liegen, um so die gezielte materialwissenschaftliche Entwicklung energieeffizienter Technologien zu beschleunigen.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) (05/2026)