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Physik: Forscher entdecken neue, eigentümliche Substanz

Erstmals haben Wissenschaftler*innen einen Supraleiter entdeckt, dessen Zusammensetzung auch in der Natur auffindbar ist.

Schwebender Magnet über einem Hochtemperatursupraleiter
u00a9 CC BY SA 3.0 Peter Nussbaumer

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Bisher gibt es nur drei natürlich vorkommende Supraleiter. Ein mögliches viertes Exemplar könnte nun sogar als einziges davon einen besondere chemischen Aufbau besitzen.

Supraleiter: Das haben Forschende entdeckt

Das betreffende Mineral heißt Miassit und ist laut IFLScience eine eigentümliche Substanz. Während die bisherigen natürlichen Supraleiter den Regeln der Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie folgen – der ersten mikroskopischen Theorie der Supraleitung –, verhält sich Miassit anders.

Hinweis: Die Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie erklärt, wie und warum bestimmte Materialien unterhalb einer kritischen Temperatur supraleitend werden, also elektrischen Strom ohne elektrischen Widerstand leiten.

Hierbei könnte es sich um einen unkonventionellen Supraleiter handeln. Dieser unterscheidet sich von den konventionellen Exemplaren in der Art und Weise, wie die Elektronen im Material Paare bilden. Das ist eine grundlegende Voraussetzung für das Auftreten von Supraleitung. Diese Paarbildung führt dazu, dass das Material unterhalb einer kritischen Temperatur elektrischen Strom ohne Widerstand leitet.

Miassit weist laut Studie trotz seiner niedrigen kritischen Temperatur von -267,75 Grad Celsius (°C) die genannten unkonventionellen Eigenschaften auf. Die Forschenden hoffen nun, mit seiner Hilfe den Ursprung der unkonventionellen Supraleitfähigkeit besser zu verstehen. Das Mineral hat eine komplexe chemische Formel mit 17 Rhodium- und 15 Schwefelatomen (Rh17S15).

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Verschiedene Tests zur Prüfung des Supraleiters

„Intuitiv denkt man, dass es sich um etwas handelt, das bei einer gezielten Suche absichtlich hergestellt wurde und unmöglich in der Natur vorkommen kann“, sagte der Hauptautor der dazugehörigen Studie, Ruslan Prozorov vom Ames National Laboratory, in einer Erklärung. „Aber es stellt sich heraus, dass es doch existiert.“

In der Natur wurde Miassit in der Nähe des Flusses Miass in der Oblast Tscheljabinsk, Russland, gefunden. Die Elemente, aus denen das Mineral besteht, neigen dazu, mit Sauerstoff zu reagieren, weshalb der Supraleiter ziemlich selten ist. Außerdem bildet er keine wohlgeformten Kristalle aus, so dass seine Eigenschaften nur durch Züchtung im Labor beurteilt werden können.

Prozorovs Team verwendete drei verschiedene Tests, um die Art der Supraleitfähigkeit von Miassit zu bestimmen. Der wichtigste davon ist die sogenannte „Londonsche Eindringtiefe“. Er bestimmt, wie weit ein schwaches Magnetfeld von der Oberfläche aus in die supraleitende Masse eindringen kann. In unkonventionellen Supraleitern variiert sie linear mit der Temperatur.

Ein anderer Ansatz bestand darin, das Material mit hochenergetischen Elektronen zu beschießen, die Defekte verursachen. Unkonventionelle Supraleiter sind sehr empfindlich gegenüber diesen Defekten. Beide Tests zeigten, dass sich Miassit wie ein unkonventioneller Supraleiter verhält.

Quellen: „Nodal superconductivity in miassite Rh17S15“ (2024, communication materials), Ames National Laboratory, IFLScience

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