Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Supraleitung: Fußbälle ohne Widerstand

09.02.2016

Hinweise auf einen lichtinduzierten verlustfreien Stromtransport in Alkali-Fulleriden helfen bei der Suche nach supraleitenden Materialien für die Praxis.

Supraleiter bleiben einstweilen in Nischenanwendungen verbannt. Da selbst die besten dieser Materialien erst bei minus 70 Grad Celsius ihren elektrischen Widerstand verlieren, werden sie hauptsächlich in Magneten für Kernspintomographen oder Fusionsanlagen sowie in Teilchenbeschleunigern eingesetzt.


Intensive Laserblitze nehmen dem Alkali-Fullerid K3C60 möglicherweise schon bei Temperaturen von minus 170 Grad Celsius den elektrischen Widerstand.

Grafik: J.M. Harms/MPI für Struktur und Dynamik der Materie

Physiker des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg haben nun Hinweise gefunden, dass Fullerene, deren bekannteste Moleküle Fußbällen ähneln, zumindest kurzzeitig bei hohen Temperaturen widerstandslos Strom leiten könnten, wenn die molekularen Substanzen mit infrarotem Laserlicht angeregt werden.

Bereits 2013 war es Forschern des Instituts gelungen, eine bestimmte Keramik mit infraroten Laserpulsen für Bruchteile einer Sekunde sogar bei Raumtemperatur supraleitend zu machen. Weil Fullerene einen relativ einfachen chemischen Aufbau haben, hoffen die Wissenschaftler, das Phänomen der lichtinduzierten, kurzzeitigen Supraleitung bei hohen Temperaturen durch die neuen Experimente besser verstehen zu können. Solche Einsichten könnten helfen, ein Material zu entwickeln, das Strom auch ohne optische Anregung bei Raumtemperatur verlustfrei leitet.

Hoffnungsträger für die Supraleitung bei Raumtemperatur sind die sogenannten Kuprate, das sind Kupferoxid enthaltende Keramiken. Denn sie verlieren ihren elektrischen Widerstand schon unterhalb vergleichsweise hoher Temperaturen; ab minus 120 Grad Celsius leitet einer ihrer Vertreter Strom verlustfrei. Physiker nennen sie daher Hochtemperatur-Supraleiter.

Einen Weg zu Materialien, die sogar schon bei Zimmertemperatur ihren elektrischen Widerstand verlieren, möchten Andrea Cavalleri, Direktor am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, und seine Mitarbeiter weisen. Ihre Beobachtung, dass mit Licht angeregte Fullerene möglicherweise schon bei zumindest minus 170 Grad Celsius supraleitend werden, bringt sie dabei einen Schritt weiter.

Diese Erkenntnis könnte nämlich zu einem umfassenderen Verständnis der lichtinduzierten Supraleitung beitragen, weil sich diese für Fullerene leichter theoretisch beschreiben lässt als für Kuprate. Eine vollständige Erklärung des Effekts könnte wiederum helfen, das Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung besser zu verstehen und ein Rezept für einen künstlichen Supraleiter zusammenzustellen, der bei Raumtemperatur Strom verlustfrei leitet.

Eine Strukturänderung macht den Weg für Elektronen frei

Dass ein Material bei Zimmertemperatur ohne Verluste Strom leiten kann, hatten Forscher aus Cavalleris Gruppe 2013 an einem Kuprat festgestellt. Zumindest für wenige Billionstel Sekunden wurde das Material ganz ohne Kühlung supraleitend, nachdem sie es mit einem infraroten Laserpuls angeregt hatten. Ein Jahr später legten die Hamburger eine mögliche Erklärung des Effektes vor.

Sie beobachteten, dass sich die Positionen von Atomen im Kristallgitter nach der Anregung mit dem Lichtblitz verschieben. Diese Verschiebung bleibt ebenso bestehen wie der supraleitende Zustand des Materials. Die lichtinduzierte Änderung der Struktur macht, grob gesprochen, den Weg für Elektronen frei, sodass sie sich verlustfrei durch die Keramik bewegen.

Allerdings hängt die Erklärung stark von der sehr spezifischen Kristallstruktur der Kuprate ab. Aus damaliger Sicht konnte es sich somit um ein Phänomen handeln, das nur bei den unkonventionellen Hochtemperatur-Supraleitern auftritt.

Das Team um Cavalleri fragte sich daher, ob Licht auch den elektrischen Widerstand von herkömmlichen Supraleitern brechen kann, deren Physik wesentlich besser verstanden ist. Tatsächlich wurden Forscher um Daniele Nicoletti und Matteo Mitrano vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie jetzt fündig, und zwar bei einem Stoff, der sich von Kupraten stark unterscheidet: das Fullerid K3C60, ein Metall, das sich aus sogenannten Buckminster-Fullerenen zusammensetzt.

Diese Hohlmoleküle bestehen aus 60 Kohlenstoff-Atomen, die sich zur Form eines Fußballs verbinden: eine Kugel aus zusammengesetzten Fünf- und Sechsecken. Negativ geladene Fullerene kleben durch zwischengelagerte positive Kalium-Ionen, die sozusagen wie Kitt wirken, zu einem Festkörper zusammen. Dieses sogenannte Alkali-Fullerid hat die Eigenschaften eines supraleitenden Metalls mit einer Sprungtemperatur von rund minus 250 Grad Celsius. Mit dieser Temperatur geben Physiker an, wo die Supraleitung sprunghaft einsetzt.

Eine der höchsten Sprungtemperaturen außerhalb der Kuprate

Die Forscher sendeten nun bei verschiedenen Temperaturen, zwischen der Sprungtemperatur und Raumtemperatur, infrarote Lichtpulse von nur wenigen milliardstel Mikrosekunden Dauer auf das Alkali-Fullerid. Sie stellten die Frequenz der Lichtwelle so ein, dass sie die Fullerene zu Vibrationen anregten. Dabei schwingen die Kohlenstoffatome so, dass sich die Fünfecke des Fußballs ausdehnen und zusammenziehen. Diese Änderung der Struktur, so die Hoffnung, könnte ähnlich wie beim Kuprat auch bei hohen Temperaturen eine kurzzeitige Supraleitung erzeugen.

Um dies zu testen, sendeten die Forscher gleichzeitig zum Infrarot-Puls einen zweiten Lichtpuls auf die Probe, allerdings mit einer Frequenz im Terahertzbereich. Wie stark dieser Puls reflektiert wird, verrät den Forschern die Leitfähigkeit des Materials, also wie leicht sich Elektronen durch das Alkali-Fullerid bewegen. Dabei zeigte sich eine sehr hohe Leitfähigkeit. „Wir haben Supraleitung möglicherweise bis hinauf zu Temperaturen von mindestens minus 170 Grad Celsius induziert“, sagt Daniele Nicoletti. Somit würde das Hamburger Experiment eine der höchsten je beobachteten Sprungtemperaturen außerhalb der Materialklasse der Kuprate zeigen.

„Wir planen nun weitere Experimente, die uns zu einem tieferen Verständnis der Vorgänge führen sollen“, so Nicoletti. Als Nächstes wollen sie während der Anregung durch das Infrarotlicht die Kristallstruktur analysieren. Dies soll ähnlich wie zuvor beim Kuprat zu einer Erklärung des Phänomens beitragen. Dann wollen die Forscher wesentlich länger andauernde Lichtblitze auf das Material senden. „Das ist zwar technisch anspruchsvoll, könnte die Lebensdauer der Supraleitung aber so weit verlängern, dass es für Anwendungen interessant wird“, schließt Nicoletti.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Andrea Cavalleri
Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
Center for Free-Electron Laser Science
Luruper Chaussee 149
22761 Hamburg
Germany
+49 (0)40 8998-5354
andrea.cavalleri@mpsd.mpg.de

Dr. Daniele Nicoletti
Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
Center for Free-Electron Laser Science
Luruper Chaussee 149
22761 Hamburg
Germany
+49 (0)40 8998-6208
daniele.nicoletti@mpsd.mpg.de

Originalpublikation:
M. Mitrano, A. Cantaluppi, D. Nicoletti, S. Kaiser, A. Perucchi, S. Lupi, P. Di Pietro, D. Pontiroli, M. Riccò, S. R. Clark, D. Jaksch und A. Cavalleri, “Possible light-induced superconductivity in K3C60 at high temperature,” Nature, Advance Online Publication (8. Februar 2016), DOI: 10.1038/nature16522

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1038/nature16522 Originalpublikation
http://qcmd.mpsd.mpg.de/ Forschungsgruppe von Prof. Dr. Andrea Cavalleri
http://www.mpsd.mpg.de Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Dr. Michael Grefe | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
14.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Quanten-Übertragung auf Knopfdruck
14.06.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

LymphomKompetenz KOMPAKT: Neues vom EHA2018

19.06.2018 | Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Überdosis Calcium

19.06.2018 | Medizin Gesundheit

Lasertests unter Tiefsee-Bedingungen am LZH

19.06.2018 | Materialwissenschaften

Neuer Abwehrmechanismus gegen Sauerstoffradikale entdeckt

18.06.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics