Forschung Supraleiter stillt Energiehunger von Rechenzentren

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Supraleitende Materialien könnten in energieeffizienten Anwendungen zukünftig eine entscheidende Rolle spielen – wenn einige Hürden überwunden werden. Nun wurde ein Materialkonzept entwickelt, das Supraleitung bei höheren Temperaturen ermöglicht und gleichzeitig starken Magnetfeldern standhält.

Digitale Geräte, Rechenzentren und Netzwerke der Informations- und Kommunikationstechnologie machen derzeit etwa 6 bis 12 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs aus. Es besteht deshalb ein wachsender Bedarf an energieeffizienterer Elektronik. Supraleitende Materialien haben sich hier als vielversprechende Lösung herausgestellt, Supraleiter können Strom ohne Energieverlust leiten. Somit haben sie das Potenzial, Stromnetze, Elektronik und Quantentechnologien um ein Vielfaches energieeffizienter zu machen.

Ein neuer Hochtemperatur-Supraleiter von Forschern der Technischen Universität Chalmers (Schweden) transportiert Strom ohne elektrischen Widerstand und behält seine supraleitenden Fähigkeiten auch in einem Magnetfeld bei. Im Normalfall bricht die Supraleitung in einem solchen Fall schlagartig zusammen. Ebenso schlagartig nimmt dann der Stromverbrauch zu, sodass das Stromnetz im Extremfall kollabiert. Die Lösung ist vor allem für Rechenzentren interessant, die bereits bis zu zwölf Prozent des Stroms verbrauchen, der weltweit produziert wird.

Unzählige Materialkombinationen ohne Durchbruch

Das Problem, dass Supraleitung, auch die, die das Attribut hochtemperaturleitend trägt, nur bei Temperaturen weit unter -100 °C funktioniert, ist damit allerdings noch nicht gelöst. Um diese extreme Kälte zu erreichen, ist sehr viel Energie nötig, die die Einsparungen aufgrund des Supraleistungseffekt teilweise zunichte macht.

Auf der Suche nach Materialkombinationen, die Supraleitung bei höheren Temperaturen – im Idealfall Zimmertemperatur – ermöglicht, haben Forscher in aller Welt unzählige Verbindungen ausprobiert, ohne das Ziel zu erreichen. Ebenso wenig konnten sie den Materialien die Intoleranz gegenüber Magnetfeldern abgewöhnen.

Etabliertes Material als Grundlage

Statt neue Werkstoffkombinationen zu testen, ist Floriana Lombardi und ihr Team von einem etablierten Material auf Kupferoxidbasis ausgegangen, das zur Familie der Cuprate gehört. Cuprate sind bekannte Supraleiter, die bei relativ hohen Temperaturen zwischen minus -140 und -196 °C funktionieren.

Ihr „Versuchskaninchen“ war ein Cuprat, das nur wenige Nanometer dick war. Um dieses extrem dünne Material als Stromleiter nutzen zu können, muss es allerdings auf einem Substrat abgeschieden werden, das die notwenige Grundlage für das Wachstum bildet, wie die schwedischen Wissenschaftler in ihrer Publikation in „Nature“ berichten.

Lombardi hat ein Substrat mit einer speziell strukturierten Oberfläche gewählt. Diese wirkt als Steuerungselement für die Ablagerung einzelner Moleküle. Sie bilden keine ebene Fläche, sondern Wellen. „Da die Atome im Substrat in einem bestimmten Muster angeordnet sind, können sie die Anordnung der Atome in der supraleitenden Schicht ‚lenken‘“, ergänzt Physiker Eric Wahlberg vom bei RISE Research Institutes of Sweden. Durch eine Veränderung der Oberflächenstruktur des Substrats konnten wir die supraleitenden Eigenschaften beeinflussen und sicherstellen, dass diese auch bei höheren Temperaturen und unter Einwirkung starker Magnetfelder erhalten blieben.“

Neues Konstruktionsprinzip für künftige Supraleiter

Mit diesem Durchbruch stellen die Forscher ein neues Konstruktionsprinzip für die Entwicklung supraleitender Materialien vor, die in Zukunft möglicherweise bei deutlich höheren Temperaturen funktionieren könnten, vielleicht sogar nahe der Raumtemperatur. „Statt nach neuen Materialien zu suchen oder die chemischen Eigenschaften bestehender Materialien zu verändern, zeigen wir, wie die Supraleitung durch die Gestaltung des Substrats verbessert werden kann“, sagt Lombardi.

Diese Ergebnisse eröffnen den Weg für praktische Anwendungen von Supraleitern in energieeffizienter Elektronik, Quantenkomponenten der nächsten Generation und Technologien, die starke Magnetfelder erfordern. „Dies zeigt, dass sehr kleine Veränderungen im Nanobereich entscheidende Auswirkungen haben und möglicherweise sogar das volle Potenzial der Supraleitung in der Elektronik der Zukunft erschließen können“, ist sich Lombardi sicher.

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