Forscher blicken erstmals ins Innere der Rekordsupraleiter
Atomare Einblicke in Lanthan-Superhydride sollen langfristig energieeffizientere Technologien ermöglichen
Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat einen methodischen Durchbruch bei der Untersuchung von Superhydriden erzielt, einer vielversprechenden Klasse von Supraleitern. Erstmals gelang es, Lanthan-Superhydride unter extremem Druck mit Hilfe der Kernspinresonanz-Spektroskopie zu analysieren.
Supraleiter zeichnen sich dadurch aus, dass ihr elektrischer Widerstand unterhalb einer materialspezifischen kritischen Temperatur verschwindet und sie somit Strom verlustfrei leiten. Bei den meisten bekannten Materialien liegt diese Sprungtemperatur unter etwa 140 Kelvin (minus 133 Grad Celsius), was für Anwendungen aufwendige Kühlung erfordert. Entsprechend intensiv suchen Forschende nach Materialien, die Supraleitung bei deutlich höheren Temperaturen zeigen.
Superhydride sind wasserstoffreiche Verbindungen, bei denen ein Metall wie Lanthan in ein dicht gepacktes Wasserstoffgitter eingebettet ist. Unter extremem Druck, wie er im Inneren von Planeten herrscht, entwickeln sie außergewöhnliche elektronische Eigenschaften und können Supraleitung nahe Raumtemperatur zeigen. Damit hält diese Materialklasse den aktuellen Weltrekord der bislang höchsten kritischen Sprungtemperatur, bei der Anzeichen für Supraleitung zu finden sind.
Um solche Zustände zu erzeugen, komprimierte das Team die Proben in Diamantstempelzellen zwischen zwei Diamanten auf Drücke von über einer Million Atmosphären. Die Herausforderung: Es stehen nur winzige Proben zur Verfügung, deren Untersuchung höchste experimentelle Präzision erfordert.
Magnetische Superlinsen im Mikromaßstab
Hier setzt die aktuelle Arbeit an: Mittels sogenannter Lenzlinsen – mikrostrukturierter leitfähiger Ringelemente – bündeln die Forschenden die für die Kernspinresonanz-Spektroskopie (NMR) benötigten Hochfrequenzfelder gezielt im Probenbereich und verstärken sie deutlich. Diese Fokussierung macht NMR-Messungen unter den extremen Bedingungen innerhalb der Diamantstempelzelle überhaupt erst möglich.
„Wir mussten die Hochfrequenzfelder exakt dort bündeln, wo sich die Probe zwischen den Diamanten befindet – auf eine Ausdehnung von nur wenigen zehn Mikrometern, also kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares“, erklärt Dr. Florian Bärtl vom Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) am HZDR. „Mit Hilfe der Lenzlinsen konnten wir das Hochfrequenz-Signal so weit verstärken, dass erstmals aussagekräftige NMR-Daten an Superhydriden zugänglich wurden.“ Die Messungen liefern direkte Einblicke in die atomaren Eigenschaften der Materialien und helfen diese besser zu verstehen.
Höchste Magnetfelder als zusätzlicher Prüfstein
Bereits zuvor hatte das Team die Materialien in den gepulsten Hochfeldmagneten des HLD mittels Messungen des elektrischen Widerstands untersucht. Solche Magnetfelder dienen als Härtetest für Supraleiter: Sie zeigen, bis zu welchen Feldstärken der supraleitende Zustand stabil bleibt.
Erst die Kombination beider Ansätze – NMR-Untersuchungen unter Hochdruck und Widerstandsmessungen in extremen Magnetfeldern – liefert ein umfassendes Bild der physikalischen Eigenschaften dieser Materialklasse.
Die Arbeiten entstanden in enger Zusammenarbeit mit Hochdruckexperten vom Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research (HPSTAR) in Peking. „Die Kooperation mit dem HLD war entscheidend für unser Projekt“, sagt Dr. Dmitrii Semenok. „Die hier verfügbaren Hochfeldanlagen und die Expertise in Hochfrequenztechnik bieten ideale Voraussetzungen für diese Experimente.“
Langfristig wollen die Forschenden die physikalischen Ursachen für die Supraleitung in wasserstoffreichen Materialien besser verstehen und somit die Entwicklung neuer Materialien für energieeffizientere Technologien der Zukunft vorantreiben.
Originalveröffentlichung
Dmitrii V. Semenok, Florian Bärtl, Di Zhou, Toni Helm, Sven Luther, Joachim Wosnitza, Ivan A. Troyan, Viktor V. Struzhkin, Hannes Kühne; "Transmission of Radio‐Frequency Waves and Nuclear Magnetic Resonance in Lanthanum Superhydrides"; Advanced Science, Volume 13, 2026-2-8
D. V. Semenok, I. A. Troyan, D. Zhou, A. V. Sadakov, K. S. Pervakov, O. A. Sobolevskiy, A. G. Ivanova, M. Galasso, F. G. Alabarse, W. Chen, C. Xi, T. Helm, S. Luther, V. M. Pudalov, V. V. Struzhkin, Ternary Superhydrides Under Pressure of Anderson’s Theorem: Near-Record Superconductivity in (La, Sc)H12, in Advanced Functional Materials, 2025
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