Elektrizität fließt durch unsere Kabel, aber ein Teil der Energie geht als Wärme verloren. Diese Verluste könnten durch Supraleiter vermieden werden: Materialien, die Strom ohne jeden Widerstand transportieren können.
Forscher der Penn State University haben eine neue Methode entwickelt, um vorherzusagen, welche Materialien supraleitend werden könnten, und ebnen so den Weg für Anwendungen, die unsere Technologien tiefgreifend verändern würden.
Durch DFT vorhergesagte Visualisierung der Elektronenverteilung in einem Blei-Supraleiter mit spezifischen atomaren Strukturen.
Quelle: Superconductor Science and Technology (2025)
Die Supraleitung wird seit langem durch die BCS-Theorie erklärt, wonach sich Elektronen bei sehr niedrigen Temperaturen zu Paaren (sogenannten "Cooper-Paaren") verbinden, um widerstandslos zu fließen. Dieses Modell funktioniert jedoch nur unter extrem kalten Bedingungen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 °C), was seine praktische Anwendung einschränkt. Das Team von Zi-Kui Liu kombinierte daher zwei theoretische Werkzeuge: die
Dichtefunktionaltheorie (DFT), die das Verhalten von Elektronen simuliert, und die
Zentropie-Theorie, die beschreibt, wie ein Material vom supraleitenden in den normalen Zustand übergeht.
Die DFT ermöglicht es, die elektronischen Eigenschaften eines Materials durch Berechnung vorherzusagen, ohne teure Experimente durchführen zu müssen. Durch Beobachtung der Elektronendichte können Forscher Konfigurationen erkennen, die denen von Cooper-Paaren ähneln, jedoch bei höheren Temperaturen. Mit diesem Ansatz identifizierten sie supraleitendes Verhalten in Metallen wie Kupfer, Silber und Gold, die bisher nicht als solche betrachtet wurden.
Die Zentropie-Theorie kombiniert hingegen Quantenphysik und statistische Mechanik, um zu verstehen, wie ein Material seine Supraleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur verliert. Insbesondere ermöglicht sie die Schätzung der kritischen Übergangstemperatur, eines entscheidenden Parameters, wenn diese Materialien im Alltag eingesetzt werden sollen. Das Ziel ist nun, diese Methode auf eine immense Materialdatenbank anzuwenden, um neue vielversprechende Kandidaten zu identifizieren.
Die nächsten Schritte umfassen die Vorhersage des Materialverhaltens unter verschiedenen Drücken und deren Test im Labor. Wenn sich diese Vorhersagen bestätigen, könnten sie zur Entdeckung von Supraleitern führen, die bei hohen Temperaturen oder sogar bei Raumtemperatur funktionieren. Ein solcher Durchbruch würde die Art und Weise, wie wir Elektrizität erzeugen, transportieren und nutzen, grundlegend verändern.
Zi-Kui Liu fasst die Herausforderung zusammen: Es geht nicht nur darum, bereits Bekanntes zu erklären, sondern einen theoretischen Rahmen zu schaffen, um das Unbekannte zu entdecken. Durch die Verknüpfung mehrerer bisher getrennter Theorien eröffnet sein Team neue Perspektiven für eine effizientere und nachhaltigere Energieversorgung.
BCS-Theorie und Cooper-Paare
Die BCS-Theorie, vorgeschlagen von John Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer, beschreibt die Supraleitung bei niedrigen Temperaturen. Sie erklärt, dass Elektronen nicht einzeln, sondern paarweise als "Cooper-Paare" fließen. Diese Paare bewegen sich gemeinsam durch das Kristallgitter, ohne mit Atomen zu kollidieren, was den elektrischen Widerstand aufhebt.
Doch diese Paare sind fragil und brechen auseinander, sobald die Temperatur steigt. Deshalb funktionieren klassische Supraleiter nur bei sehr niedrigen Temperaturen, die mit teuren Kühlsystemen erreicht werden. Dieses Modell kann die sogenannte "unkonventionelle Supraleitung", die in Materialfamilien wie Cupraten entdeckt wurde, nicht erklären.
Dichtefunktionaltheorie (DFT)
Die DFT ist eine quantenmechanische Berechnungsmethode, die es ermöglicht, die Eigenschaften eines Systems auf Basis der Elektronendichte vorherzusagen, anstatt auf komplexen Wellenfunktionsgleichungen.
Entwickelt in den 1960er Jahren, ist sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Chemie und Materialwissenschaft geworden, da sie zuverlässige Vorhersagen mit angemessenen Rechenressourcen ermöglicht.
Im Fall von Supraleitern beschreibt die DFT nicht direkt die Bildung von Cooper-Paaren, kann aber Hinweise auf Verhaltensweisen liefern, die die Supraleitung begünstigen. In Kombination mit anderen Modellen wie der Zentropie ermöglicht sie die schnellere Erforschung komplexer Phänomene und die Identifizierung potenziell revolutionärer Materialien.
Quelle: Superconductor Science and Technology