Zirconide: Ein neues Übergangsmetall

Tokio, Japan – Forschende der Tokyo Metropolitan University haben ein neues supraleitendes Material entdeckt. Sie kombinierten Eisen, Nickel und Zirkonium, um mit unterschiedlichen Eisen-zu-Nickel-Verhältnissen ein neues Übergangsmetall namens Zirconide herzustellen. Während sowohl Eisen-Zirconide als auch Nickel-Zirconide nicht supraleitend sind, zeigen die neu präparierten Mischungen genau diese Eigenschaft und weisen ein „kuppelförmiges“ Phasendiagramm auf, das typisch für sogenannte „unkonventionelle Supraleiter“ ist. Dies ist ein vielversprechender Ansatz, um Hochtemperatur-Supraleiter zu entwickeln, die breiter in der Gesellschaft eingesetzt werden könnten.

Supraleiter spielen bereits eine aktive Rolle in hochmodernen Technologien – von supraleitenden Magneten in medizinischen Geräten und Magnetschwebebahnen bis hin zu supraleitenden Kabeln für die Energieübertragung. Allerdings sind sie in der Regel auf eine Kühlung auf Temperaturen von etwa vier Kelvin angewiesen, was einen wichtigen Hemmschuh für eine umfassendere Anwendung dieser Technologie darstellt. Wissenschaftler suchen deshalb nach Materialien, die bei höheren Temperaturen einen Widerstand von null aufweisen, insbesondere in der Nähe der 77-Kelvin-Grenze, bei der flüssiger Stickstoff anstelle von flüssigem Helium zur Kühlung verwendet werden kann.

Die gute Nachricht ist, dass inzwischen vielversprechende Kandidaten aufgetaucht sind, wie etwa die 2008 entdeckten eisenbasierten Supraleiter. Immer deutlicher zeichnet sich ab, dass die Hochtemperatur-Supraleitung einem anderen Mechanismus folgen könnte als die „konventionellen Supraleiter“, die sich durch gut etablierte theoretische Modelle erklären lassen, insbesondere durch die BCS-Theorie (Bardeen-Cooper-Schrieffer). Vor allem Materialien mit magnetischen Elementen oder diejenigen, die „magnetische Ordnung“ zeigen, erweisen sich zunehmend als wichtig für das Auftreten „unkonventioneller Supraleitung“.

Eine „Dome-Like“-Form als vielversprechendes Merkmal

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Yoshikazu Mizuguchi von der Tokyo Metropolitan University hat ein neues supraleitendes Material entwickelt, das ein magnetisches Element enthält. Erstmals zeigte das Team, dass eine polykristalline Legierung aus Eisen, Nickel und Zirconium supraleitende Eigenschaften aufweist. Bemerkenswerterweise sind sowohl Eisen-Zirconid als auch Nickel-Zirconid in kristalliner Form nicht supraleitend. In Experimenten, die als Projekt für Studierende im Grundstudium begannen, kombinierten die Forschenden Eisen, Nickel und Zirconium in verschiedenen Verhältnissen mittels einer als arc melting bekannten Methode. Dabei bestätigten sie, dass die resultierende Legierung dieselbe Kristallstruktur wie tetragonale Übergangsmetall-Zirconide – eine Familie vielversprechender supraleitender Materialien – aufweist. Die Gitterkonstanten, also die Längen der sich wiederholenden Zellen, veränderten sich zudem kontinuierlich mit dem Verhältnis von Eisen zu Nickel. Entscheidend war ihre Beobachtung, dass es in einem bestimmten Bereich der Zusammensetzungen zu einer Erhöhung der supraleitenden Übergangstemperatur kam, gefolgt von einem erneuten Abfall. Diese „dome-like“-Form gilt als vielversprechendes Erkennungszeichen unkonventioneller Supraleitung.

Zukunft von Supraleitern der nächsten Generation

Weitere Experimente bestätigten, dass die Magnetisierung von Nickel-Zirconid eine magnetic-transition-like Anomalie aufweist, was auf eine enge Beziehung zwischen diesen Ergebnissen und der in anderen Materialien vermuteten unkonventionellen Supraleitung durch magnetische Ordnung hinweist. Das Team hofft, dass ihre neue Plattform zur Untersuchung unkonventioneller Supraleitung nicht nur neue Einblicke in den zugrunde liegenden Mechanismus liefert, sondern auch praktische Wege für die Entwicklung hochmoderner Materialien für die nächste Generation supraleitender Geräte eröffnet.

Diese Arbeit wurde durch JSPS-KAKENHI Grant Number 23KK0088, ein TMU Research Project for an Emergent Future Society sowie einen Tokyo Government-Advanced Research Grant (H31–1) gefördert.