Viele Materialien werden nahe am absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) supraleitend. Manche können aber auch bei vergleichsweise höheren Temperaturen Strom verlustfrei leiten. Sie werden „Hochtemperatur-Supraleiter“ genannt, wobei der Begriff „Hochtemperatur“ relativ ist – auch sie benötigen Temperaturen im Bereich um minus 200 Grad Celsius für die Supraleitung. Deshalb sucht man nach Materialien, die bereits bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden. Das Problem dabei ist, dass der dem Phänomen zugrunde liegende Mechanismus noch nicht vollständig geklärt ist, was die gezielte Suche erschwert.
Kupferhaltige Materialien, sogenannte Cuprate, gelten als vielversprechende Kandidaten. Bei ihnen konnte man „die kritische Temperatur, bis zu der das Material supraleitend bleibt, im Lauf der Zeit dramatisch steigern“, erklärte Jan Kunes vom Institut für Festkörperphysik der Technischen Universität (TU) Wien. Man sei hier bereits im Bereich von 150 Kelvin (rund minus 123 Grad Celsius).
Vielversprechende Materialklasse
Vor zwei Jahren wurde dann eine andere Materialklasse entdeckt, die noch vielversprechender sein könnte: Sogenannte Nickelate weisen eine ähnliche Struktur wie Cuprate auf, allerdings mit Nickel statt Kupfer. Sollten bei den Nickelaten ähnliche Fortschritte in Richtung höherer Temperaturen gelingen, „wäre das ein gewaltiger Schritt nach vorne“, so Kunes. Bis dahin ist es aber noch weit: Das Material wird erst bei etwa zehn Kelvin (minus 263 Grad Celsius) supraleitend.
Um dies zu verbessern, braucht man theoretische Modelle, die das Verhalten des Materials beschreiben. Dazu muss man aber bestimmte Eigenschaften und Werte davon kennen. Kunes und sein Team haben nun mit der sogenannten Ladungstransfer-Energie eine Schlüsseleigenschaft von Nickelaten ermittelt. „Diese Zahl sagt uns, wie viel Energie man dem System zuführen muss, um ein Elektron von einem Nickelatom zu einem Sauerstoffatom zu übertragen“, so Kunes zu der nun im Fachjournal „Physical Review X“ veröffentlichten Studie.
Damit gelang den Wissenschaftlern, erstmals die elektronische Struktur des Materials genau zu erklären. Sie erstellten damit ein theoretisches Modell für die Beschreibung der Supraleitung in Nickelaten. Damit lassen sich verschiedene Fragen klären, wie man das Material weiter verbessern kann, um es bei höheren Temperaturen supraleitend zu machen.