China erzielt Durchbruch bei Supraleitfähigkeit bei Umgebungsdruck und gestaltet die Zukunft von Energie und Quantentechnik neu
Chinas Durchbruch bei Hochtemperatur-Supraleitung: Ein Wendepunkt für Quantenmaterialien
Supraleitungs-Revolution: Chinas Sprung in die Zukunft
Die chinesische Wissenschaft hat einen wichtigen Meilenstein im Bereich der Supraleitung erreicht. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Xu Qi-Kun, Präsident der Southern University of Science and Technology (SUSTech), hat in Zusammenarbeit mit dem Quantum Science Center der Guangdong-Hongkong-Macao Greater Bay Area und der Tsinghua-Universität einen bahnbrechenden Fortschritt bei Hochtemperatur-Supraleitern erzielt. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht am 17. Februar in Nature, bestätigen, dass Materialien auf Nickelbasis bei normalem Druck Supraleitung erreichen können. Damit sind sie die dritte Materialklasse – nach Supraleitern auf Kupfer- und Eisenbasis –, die die 40K-McMillan-Grenze durchbricht.
Diese Entdeckung bietet einen neuen Weg zur Lösung eines der wichtigsten Rätsel der Festkörperphysik: des Mechanismus hinter der Hochtemperatur-Supraleitung. Die Auswirkungen gehen über die akademische Neugier hinaus, da der Fortschritt zu revolutionären Anwendungen in der Energieübertragung, der medizinischen Bildgebung und dem Quantencomputing führen könnte.
Wie China die Druckbarriere in der Supraleitung überwand
Supraleiter, oft verglichen mit "Null-Energieverlust-Autobahnen" für elektrische Ströme, sind seit ihrer Entdeckung im Jahr 1911 Gegenstand intensiver Forschung. Traditionelle Supraleiter waren auf extrem niedrige Temperaturen beschränkt, wobei ihre höchste Übergangstemperatur auf 40K begrenzt war, eine theoretische Grenze, die als McMillan-Grenze bekannt ist. Im Laufe der Jahrzehnte haben Forscher nach Materialien gesucht, die bei höheren Temperaturen supraleitend sein können, wobei Verbindungen auf Kupfer- und Eisenbasis führend waren.
Supraleiter auf Nickelbasis entwickelten sich 2019 zu einem vielversprechenden Kandidaten, als amerikanische Wissenschaftler erstmals Supraleitung in dünnen Schichten auf Nickelbasis beobachteten. Ihre Übergangstemperaturen waren jedoch zu niedrig, um praktisch nutzbar zu sein. Der Durchbruch gelang 2023, als Forscher der Sun Yat-sen Universität in nickelbasierten Materialien bei Flüssigstickstofftemperaturen Supraleitung erreichten – allerdings unter extremem Druck, der das 100.000-fache des Atmosphärendrucks überstieg. Obwohl beeindruckend, schränkte diese Abhängigkeit von Hochdruckbedingungen die kommerzielle Machbarkeit ein.
Das chinesische Forschungsteam unter der Leitung von Xu Qi-Kun hat diese Herausforderung nun gemeistert und erfolgreich Supraleitung in Nickeloxidschichten bei normalem Druck induziert, mit einer Übergangstemperatur von über 40K. Dies wurde durch eine neuartige Synthesetechnik namens hochoxidative Atomlagenepitaxie ermöglicht, die eine präzise atomare Kontrolle über die Materialstruktur ermöglichte. Durch die Entwicklung einer atomar dünnen Schicht und deren Stabilisierung durch Grenzflächentechnik gelang es den Forschern, die für die Supraleitung notwendigen Hochdruckbedingungen ohne eine externe Hochdruckumgebung nachzubilden.
Das Team führte umfangreiche elektromagnetische Transportmessungen durch, um den supraleitenden Zustand zu bestätigen, wobei sowohl der elektrische Nullwiderstand als auch der Meißner-Effekt – wichtige Kennzeichen der Supraleitung – identifiziert wurden. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass Supraleiter auf Nickelbasis mit weiterer Optimierung noch höhere Übergangstemperaturen erreichen könnten, möglicherweise bis in den Flüssigstickstoffbereich (77K), eine Schwelle, die ihre praktischen Anwendungen drastisch verbessern würde.
Globales Supraleitungsrennen: Wer wird die nächste Technologiefront dominieren?
Das Rennen um das Verständnis und die Nutzung von Hochtemperatur-Supraleitern ist seit langem ein Nährboden für den internationalen Wettbewerb. Bemerkenswert ist, dass Forscher der Stanford University in den Vereinigten Staaten zur gleichen Zeit unabhängig voneinander ähnliche Ergebnisse berichteten. Die gleichzeitige Entdeckung durch US-amerikanische und chinesische Teams unterstreicht die Intensität der globalen Bemühungen, das Potenzial von Supraleitern auf Nickelbasis zu erschließen.
Was die Forschung des chinesischen Teams auszeichnet, ist die vollständige Abhängigkeit von im Inland entwickelten experimentellen Instrumenten. Durch die Weiterentwicklung ihrer eigenen Hochoxidations-Epitaxietechniken haben sie nicht nur qualitativ hochwertigere Dünnschichten hergestellt, sondern auch den Grundstein für Chinas langfristige Unabhängigkeit in der Supraleitermaterialforschung gelegt. Dies ist ein entscheidender strategischer Vorteil, da Supraleiter der Schlüssel zu Energienetzen der nächsten Generation, ultraschnellem Computing und Fortschritten in der Quantentechnologie sind.
Über das Labor hinaus: Wie dieser Durchbruch Industrien verändern könnte
1. Die Revolution des Stromnetzes: Null Energieverlust ist in Reichweite
Supraleiter haben das Potenzial, die Energieübertragung durch die Beseitigung des elektrischen Widerstands zu revolutionieren. Derzeit geht ein erheblicher Teil des Stroms als Wärme während der Übertragung verloren. Wenn Supraleiter mit höheren Übergangstemperaturen in Stromnetze integriert werden können, könnten sie eine verlustfreie Energieübertragung über große Entfernungen ermöglichen und die Effizienz drastisch verbessern. Investoren in intelligente Netztechnologie, Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssysteme (HGÜ) und Energieinfrastruktur sollten diese Entwicklung zur Kenntnis nehmen.
2. Der nächste Sprung des Quantencomputings: Kostensenkung und Steigerung der Skalierbarkeit
Supraleitende Materialien sind grundlegend für das Quantencomputing, wo sie die Erzeugung hochempfindlicher Qubits ermöglichen. IBM, Google und Chinas Alibaba und Baidu investieren aktiv in supraleitende Quantencomputer. Ein stabiler Hochtemperatur-Supraleiter könnte die Kühlkosten senken und die Skalierbarkeit von Quantenprozessoren erhöhen, wodurch das Quantencomputing wirtschaftlich rentabler wird.
3. Fortschrittliche medizinische Bildgebung erschwinglicher machen
Magnetresonanztomographiegeräte (MRT) verwenden supraleitende Magnete, um starke Magnetfelder zu erzeugen. Derzeit benötigen diese Geräte teure Flüssighelium-Kühlsysteme, um die Supraleitung aufrechtzuerhalten. Wenn Supraleiter auf Nickelbasis höhere Übergangstemperaturen erreichen können, könnten MRT-Systeme deutlich erschwinglicher werden, wodurch fortschrittliche medizinische Diagnostik auch für kleinere Krankenhäuser und sogar ländliche Gesundheitszentren zugänglich wird.
4. Supraleiter und die Zukunft der Halbleiterindustrie
Chinas Durchbruch könnte tiefgreifende Auswirkungen auf die Halbleiterindustrie haben. Supraleitende Materialien können in ultraschnellen Logikschaltungen und Halbleiterbauelementen der nächsten Generation eingesetzt werden. Angesichts der Spannungen in den globalen Halbleiterlieferketten stärkt Chinas Erfolg in diesem Bereich seine Position in der fortgeschrittenen Materialwissenschaft und könnte weitere Investitionen in heimische Chipfertigungskapazitäten fördern.
Was kommt als Nächstes? Die Herausforderungen und die Zukunft der Supraleitungstechnologie
Obwohl dieser Durchbruch ein wichtiger Schritt nach vorn ist, gibt es noch einige Herausforderungen, bevor praktische Anwendungen Realität werden. Erstens liegt die Übergangstemperatur von 40K, obwohl beeindruckend, immer noch unter der für den breiten industriellen Einsatz erforderlichen Flüssigstickstoffschwelle (77K). Weitere Forschung ist erforderlich, um diese Grenze weiter nach oben zu verschieben. Darüber hinaus erfordert die Steigerung der Produktion von hochwertigen Supraleitern auf Nickelbasis neue Fertigungstechniken und kostengünstige Synthesemethoden.
Dennoch sind die potenziellen Vorteile erheblich. Die Fähigkeit, Supraleiter bei normalem Druck herzustellen, öffnet die Tür zu neuen Anwendungen, die aufgrund der Einschränkungen der Hochdrucksynthese bisher als nicht realisierbar galten. Diese Arbeit bietet auch eine neue experimentelle Plattform zur Untersuchung der grundlegenden Mechanismen hinter der Hochtemperatur-Supraleitung, einem ungelösten Problem der Festkörperphysik.
Ist dies der Beginn einer supraleitenden Zukunft?
Chinas erfolgreiche Synthese von nickelbasierten Supraleitern bei normalem Druck stellt mehr als nur einen wissenschaftlichen Meilenstein dar – sie markiert den Beginn eines neuen Kapitels in der Supraleitungsforschung. Das Potenzial für verlustfreie Energieübertragung, verbessertes Quantencomputing und kostengünstige medizinische Bildgebung unterstreicht die weitreichenden Auswirkungen dieser Entdeckung. Da sich der Wettbewerb auf globaler Ebene intensiviert, wird das Rennen um Hochtemperatur-Supraleiter die Zukunft der Energie-, Computer- und Materialwissenschaften prägen.
Für Forscher ist dies ein entscheidender Moment in der Festkörperphysik. Für Investoren ist es eine seltene Gelegenheit, von einer technologischen Grenze zu profitieren, die ganze Branchen neu definieren könnte. Die nächsten Jahre werden entscheidend dafür sein, ob dieser Durchbruch zu praktischen, kommerziell tragfähigen Anwendungen führt – oder ob er eine akademische Kuriosität bleibt, die auf ihren nächsten großen Sprung wartet.