Auf der Suche nach dem Raumtemperatursupraleiter: Internationales Team formuliert Forschungsagenda

Die Suche nach Materialien, die elektrischen Strom ohne Energieverlust bei Raumtemperatur leiten können, zählt zu den größten und folgenreichsten Herausforderungen der modernen Physik: verlustfreie Stromübertragung, effizientere Motoren und Generatoren, leistungsfähigere Quantencomputer, günstigere MRT-Geräte. Kaum eine andere Materialentdeckung hätte das Potenzial, so viele Bereiche von Technik und Alltag gleichzeitig zu verändern. Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung von Christoph Heil vom Institut für Theoretische Physik – Computational Physics der TU Graz präsentiert nun einen systematischen Ansatz, um solche Materialien zu finden. In einem sogenannten Perspective-Artikel im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), einem Strategiebeitrag, der den Forschungsstand bewertet und zukünftige Richtungen vorgibt, halten die 16 Autorinnen und Autoren fest: Es gibt keine fundamentalen physikalischen Gesetze, die Supraleitung bei Umgebungstemperatur ausschließen. 

Neue Forschungsergebnisse sorgen für Optimismus

Die Forschenden betonen, dass Supraleitung unter den richtigen Bedingungen eine nahezu universelle Eigenschaft nichtmagnetischer Metalle ist und kein seltenes Phänomen. Als eindrucksvollen Beleg für die jüngsten Fortschritte in diesem Feld verweist das Strategiepapier auf eine Begleitstudie, die im Rahmen desselben Forschungsprogramms entstand und in derselben PNAS-Ausgabe erscheint: Forschende an der University of Houston haben mit dem Verfahren des sogenannten Pressure Quenching einen neuen Rekord gesetzt. Dabei wurde die quecksilberbasierte Verbindung Hg-1223, seit 1993 der Rekordhalter für Supraleitung bei Normaldruck, zunächst auf nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt und gleichzeitig einem Druck von bis zum 300.000-Fachen des normalen Luftdrucks ausgesetzt. Dadurch stieg die kritische Temperatur, bei der das Material supraleitend wird, von 133 Kelvin auf bis zu 151 Kelvin an. Nach dem raschen Ablassen des Drucks blieb die erhöhte kritische Temperatur erhalten und stellte damit die höchste jemals gemessene Sprungtemperatur bei Umgebungsdruck dar. Dieser Effekt hielt noch zwei Wochen nach dem Experiment an und wurde an fünf verschiedenen Proben reproduziert.

Für das internationale Autor*innenteam steht dieses Ergebnis exemplarisch für eine neue Dynamik in der Supraleitungsforschung. Um diese Fortschritte gezielt in neue Materialien zu übersetzen, identifiziert das Team zwei zentrale Aufgaben: die Vorhersage-Herausforderung und die Ingenieurs-Herausforderung. Die erste Aufgabe besteht darin, computergestützte Modelle deutlich zu verbessern. Künftig sollen sie nicht nur vorhersagen, ob ein Material supraleitend werden kann, sondern auch, ob es sich tatsächlich herstellen lässt – eine Lücke, die bisherige Modelle kaum adressiert haben. Dafür gilt es, große Kombinationen chemischer Elemente systematisch zu durchsuchen und so vielversprechende Kandidaten für industriell herstellbare Supraleiter zu identifizieren.

Vom Zufallsfund zur strategischen Suche

Die zweite Herausforderung liegt in der gezielten Manipulation von Materialien. Durch physikalische Einflüsse wie extremen Druck, gezielte Dotierung, Nanostrukturen oder ultrakurze Lichtimpulse könnten supraleitende Zustände künstlich erzeugt oder deutlich verstärkt werden. Die Forschenden schlagen deshalb vor, potenzielle Supraleiter als sogenannte Quanten-Metamaterialien zu betrachten. Das sind gezielt konstruierte Materialsysteme, bei denen supraleitende Eigenschaften nicht allein durch die chemische Zusammensetzung bestimmt werden, sondern durch das Zusammenspiel präzise gestalteter Strukturen auf der Nanoskala. 

Ein zentraler Bestandteil dieser Strategie ist eine enge Verzahnung von Theorie und Experiment. Computermodelle geben künftig die Richtung neuer Experimente vor, während experimentelle Ergebnisse direkt in die Verbesserung der theoretischen Modelle zurückfließen. Auf diese Weise soll die Suche nach neuen Supraleitern deutlich effizienter werden als im bisherigen Versuch-und-Irrtum-Prinzip.

Theorie, Experiment und KI: Koordiniert an einem Strang ziehen

„In den letzten Jahren haben wir enorme Fortschritte bei der computergestützten Simulation realistischer Materialien gemacht“, sagt Christoph Heil. „Wir können heute ab-initio-Rechnungen zu Supraleitung im Nanometerbereich durchführen – also auf Längenskalen, die auch im Experiment tatsächlich zugänglich sind. Noch vor wenigen Jahren war man auf deutlich kleinere Einheitszellen im Ångström-Bereich beschränkt – das ist ein Unterschied von etwa einer Zehnerpotenz.“ Damit eröffnen sich laut Heil völlig neue Möglichkeiten: „Kombiniert man diese präzisen Berechnungen gezielt mit maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz, können wir den riesigen Raum möglicher Materialkombinationen heute viel effizienter und genauer durchsuchen als je zuvor. Genau das ist der Kern unseres Ansatzes: Theorie, Simulation und Experiment enger zu verknüpfen, um den Weg zu praktisch nutzbaren Supraleitern systematisch zu beschreiten.“

Das Strategiepapier endet daher nicht mit einer Zusammenfassung, sondern mit einem Aufruf an die gesamte Forschungsgemeinschaft in Physik, Chemie und Materialwissenschaft: Weltweit sollen die Kräfte gebündelt und gemeinsam, gestützt auf moderne KI- und Simulationsmethoden, die Grenzen der Supraleitung gezielt und systematisch in Richtung Raumtemperatur verschoben werden. Neben Christoph Heil waren Forschende aus Harvard, Cambridge, dem MIT, der University of Houston, der Columbia University, der University of California, der University at Buffalo, der Carnegie Institution for Science, den Travertine Labs sowie dem Enterprise Science Fund von Intellectual Ventures an der Publikation beteiligt. 

Publikation: The path to room-temperature superconductivity: A programmatic approach
Autor*innen: Rohit P. Prasankumar, Matthew Julian, Michael Hutcheon, Christoph Heil, Liangzi Deng, Dmitri Basov, Ching-Wu Chu, Riccardo Comin, Philip Kim, Bryce Meredig, Chris Pickard, Warren E. Pickett, Timothy Strobel, Stuart Wolf, Eva Zurek, and Nathan Myhrvold
In: Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2520324123