Supraleiter bleiben bei höheren Temperaturen stabil

Supraleiter sind Materialien, die elektrischen Strom ohne jeden Widerstand leiten – das bedeutet, sie verlieren keine Energie in Form von Wärme. In einer Welt, in der Rechenzentren und Kommunikationsnetze bereits sechs bis zwölf Prozent des globalen Stroms verbrauchen, wäre das ein enormer Fortschritt. Doch bisher scheitert der praktische Einsatz an zwei Hürden: Die meisten Supraleiter müssen auf minus 200 Grad Celsius gekühlt werden, und schon schwache Magnetfelder zerstören ihre Leitfähigkeit.

Ein Team um Floriana Lombardi von der Chalmers University of Technology in Göteborg hat nun einen Weg gefunden, beide Probleme gleichzeitig zu entschärfen. Die Forscher arbeiteten mit einem hauchdünnen Film aus einem Kupferoxid-Material, das zur Familie der Kuprate gehört – einer Stoffklasse, die bereits bei vergleichsweise hohen Temperaturen supraleitend wird. Der Film war nur wenige Nanometer dick, also weniger als ein Millionstel der Dicke eines menschlichen Haares. Solche dünnen Schichten müssen auf einer Trägeroberfläche, dem sogenannten Substrat, aufwachsen.

Die entscheidende Idee war, nicht das supraleitende Material selbst zu verändern, sondern die Oberfläche, auf der es liegt. Die Forscher behandelten das Substrat in einer Vakuumkammer bei hohen Temperaturen. Dabei entstand eine regelmäßige Struktur aus winzigen Rillen und Erhebungen – ähnlich einer Miniatur-Gebirgslandschaft. Diese Nanostruktur veränderte die elektronischen Eigenschaften an der Grenzfläche zwischen Substrat und Supraleiter. Die Elektronen begannen, sich in eine Vorzugsrichtung auszurichten, was den supraleitenden Zustand stabilisierte und verstärkte.

„Durch die Strukturierung der Oberfläche konnten wir Supraleitung bei deutlich höheren Temperaturen als bisher möglich induzieren“, erklärt Lombardi. „Das Material blieb sogar unter starken Magnetfeldern supraleitend.“ Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht. Die Forscher betonen, dass ihr Ansatz ein neues Designprinzip für Supraleiter darstellt: Statt nach völlig neuen Materialien zu suchen oder die chemische Zusammensetzung zu verändern, reicht es manchmal, die Oberfläche geschickt zu gestalten.

Die Arbeit ist noch Grundlagenforschung, aber sie zeigt einen vielversprechenden Weg. Sollte es gelingen, Supraleiter bei Raumtemperatur und unter Alltagsbedingungen zu betreiben, könnten Stromnetze, Computer und Quantenprozessoren hunderte Male effizienter werden. „Sehr kleine Änderungen im Nanometerbereich können entscheidende Effekte haben und vielleicht das volle Potenzial der Supraleitung in der zukünftigen Elektronik freisetzen“, sagt Lombardi.