Von Supraleitung spricht man, wenn ein Material Elektrizität ohne Energieverlust leiten kann. Supraleiter werden unter anderem in medizinischen MRT-Geräten, Stromkabeln und Quantencomputern eingesetzt. Herkömmliche Supraleiter sind gut erforscht, haben aber niedrige kritische Temperaturen. Die kritische Temperatur ist die höchste Temperatur, bei der sich ein Material als Supraleiter verhält.
In den 1980er Jahren entdeckten Wissenschaftler unkonventionelle Supraleiter, von denen viele eine viel höhere kritische Temperatur haben. Nach Angaben von Ruslan Prozorov, einem Wissenschaftler am Ames Lab, werden alle diese Materialien im Labor gezüchtet. Diese Tatsache hat zu der allgemeinen Annahme geführt, dass die unkonventionelle Supraleitung kein natürliches Phänomen ist.
Miassit besitzt komplexe chemische Formel
Prozorov erklärte, dass es schwierig ist, Supraleiter in der Natur zu finden, da die meisten supraleitenden Elemente und Verbindungen Metalle sind und dazu neigen, mit anderen Elementen, wie Sauerstoff, zu reagieren. Er sagte, dass Miassit (Rh17S15) aus mehreren Gründen ein interessantes Mineral ist, einer davon ist seine komplexe chemische Formel. „Intuitiv denkt man, dass es sich um etwas handelt, das bei einer gezielten Suche absichtlich hergestellt wird und in der Natur unmöglich vorkommen kann“, so Prozorov, „aber es stellt sich heraus, dass es doch existiert.“
Paul Canfield, Distinguished Professor of Physics and Astronomy an der Iowa State University und Wissenschaftler am Ames Lab, hat Erfahrung in der Entwicklung, Entdeckung, Züchtung und Charakterisierung neuer kristalliner Materialien. Für dieses Projekt synthetisierte er hochwertige Miassitkristalle. „Obwohl Miassit ein Mineral ist, das in der Nähe des Flusses Miass im Gebiet Tscheljabinsk, Russland, entdeckt wurde“, so Canfield, „ist es ein seltenes Mineral, das im Allgemeinen nicht als gut ausgebildete Kristalle wächst.“
Entdeckung von Verbindungen
Die Züchtung der Miassit-Kristalle war Teil eines größeren Projekts zur Entdeckung von Verbindungen, die sehr hoch schmelzende Elemente (wie Rh) und flüchtige Elemente (wie S) kombinieren. „Im Gegensatz zur Natur der reinen Elemente haben wir die Verwendung von Mischungen dieser Elemente gemeistert, die das Wachstum von Kristallen bei niedrigen Temperaturen und minimalem Dampfdruck ermöglichen“, so Canfield. „Es ist, als ob man ein verstecktes Angelloch findet, das voll mit großen, fetten Fischen ist. In dem Rh-S-System haben wir drei neue Supraleiter entdeckt. Und durch Ruslans detaillierte Messungen haben wir herausgefunden, dass der Miassit ein unkonventioneller Supraleiter ist.“
Prozorovs Gruppe ist auf fortschrittliche Techniken zur Untersuchung von Supraleitern bei niedrigen Temperaturen spezialisiert. Er sagte, das Material müsse so kalt wie 50 Millikelvins sein, was etwa -460 Grad Fahrenheit entspricht.
Prozorovs Team verwendete drei verschiedene Tests, um die Art der Supraleitfähigkeit von Miassit zu bestimmen. Der wichtigste Test ist die so genannte „Londoner Eindringtiefe“. Er bestimmt, wie weit ein schwaches Magnetfeld von der Oberfläche in die supraleitende Masse eindringen kann. In einem konventionellen Supraleiter ist diese Länge bei niedriger Temperatur im Wesentlichen konstant. In unkonventionellen Supraleitern variiert sie jedoch linear mit der Temperatur. Dieser Test zeigte, dass sich Miassit wie ein unkonventioneller Supraleiter verhält.
Einführung von Defekten in das Material
Ein weiterer Test, den das Team durchführte, war die Einführung von Defekten in das Material. Prozorov sagte, dass dieser Test eine charakteristische Technik ist, die sein Team in den letzten zehn Jahren eingesetzt hat. Dabei wird das Material mit hochenergetischen Elektronen beschossen. Dadurch werden Ionen aus ihren Positionen herausgeschlagen, wodurch Defekte in der Kristallstruktur entstehen. Diese Unordnung kann zu Veränderungen der kritischen Temperatur des Materials führen.
Herkömmliche Supraleiter sind unempfindlich gegenüber nichtmagnetischen Störungen, so dass dieser Test keine oder nur eine sehr geringe Änderung der kritischen Temperatur ergeben würde. Unkonventionelle Supraleiter reagieren sehr empfindlich auf Unordnung, und das Einbringen von Defekten verändert oder unterdrückt die kritische Temperatur. Dies wirkt sich auch auf das kritische Magnetfeld des Materials aus. Bei Miassit stellte das Team fest, dass sich sowohl die kritische Temperatur als auch das kritische Magnetfeld wie bei unkonventionellen Supraleitern vorhergesagt verhielten.
Die Untersuchung von unkonventionellen Supraleitern verbessert das Verständnis der Wissenschaftler für deren Funktionsweise. Prozorov erklärte, dass dies wichtig ist, weil „die Aufdeckung der Mechanismen hinter der unkonventionellen Supraleitung der Schlüssel zu wirtschaftlich sinnvollen Anwendungen von Supraleitern ist.“
