Bilayer-Nickelate: Eine neue Klasse von Hochtemperatur‑Supraleitern

Grenzen der Supraleitung

Elektrizität war eine der transformativsten Technologien der Geschichte und ermöglicht die Übertragung einer sehr nützlichen Energieform über große Entfernungen. Doch jedes „normale“ elektrische System hat elektrischen Widerstand, der bei angelegtem Strom Wärme erzeugt.

Eine Alternative existiert: die sogenannten supraleitenden Materialien. Supraleitende Materialien besitzen einen elektrischen Widerstand von null, wodurch extrem starke Ströme ohne Wärmeentwicklung genutzt werden können.

Ohne Supraleitung wäre vieles moderne Technologie nicht möglich, darunter Teilchenbeschleuniger (zum Beispiel das CERN), MRT und Magnetschwebebahnen.

Supraleitung wird ein entscheidender Bestandteil der vielversprechendsten Megaprojekte und technologischen Innovationen sein, wie ITER und Kernfusion, Massenantriebe, Quantencomputer, usw.

Stromleitungen ohne Verluste könnten ebenfalls entscheidend sein, um ultra‑lange Netzanbindungen zu entwickeln, die die Erzeugung erneuerbarer Energien über Wetterbedingungen und Zeitzonen hinweg puffern und so einige der Einschränkungen von Solar- und Windenergie lösen.

Quelle: XOT Metals

Allerdings wurde Supraleitung bisher nur für Materialien beherrscht, die sie bei ultraniedrigen Temperaturen, kaum ein paar Grad über dem absoluten Nullpunkt, oder bei extrem hohem Druck zeigen.

Das macht sie nicht nur zu komplex für alle außer den anspruchsvollsten Anwendungen (Magnetschwebebahnen, MRT usw.), sondern auch sehr teuer, sodass sie für viele potenzielle Anwendungen, die von supraleitenden Materialien profitieren könnten, unwirtschaftlich ist.

Viele Wege zur Supraleitung

Es scheint nun, dass das bei hohem Druck hergestellte Material einen Teil seiner Supraleitung bei niedrigerem Druck behalten könnte, durch ein experimentelles Verfahren namens Pressure‑Quench‑Protokoll (PQP).

Kürzlich schien die verdrehte Bilayer von WSe₂ (Wolfram‑Selen) ebenfalls ein vielversprechender Materialkandidat für Hochtemperatur‑Supraleiter zu sein.

Nach jahrelangem langsamen Fortschritt scheinen Physiker nun völlig neue Wege zur Herstellung supraleitender Materialien zu erschließen. Und ein neuer Ansatz wurde nun zur Liste hinzugefügt, mit einer neuen Familie von Supraleitern, die Nickel enthalten.

Chinesische Forscher der Southern University of Science and Technology in Shenzhen und der Tsinghua University haben entdeckt, dass bilayer‑Nickelat‑Supraleiter Strom ohne Widerstand leiten, weit über dem absoluten Nullpunkt und bei Umgebungsdruck.¹

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der renommierten Fachzeitschrift Nature unter dem Titel “Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films”.

Nicht zu kalte Supraleiter

Hochtemperatur‑Supraleitung könnte eines Tages eine Option werden, insbesondere im rätselhaften Fall von LK-99 (einer Kupfer‑substituierten Bleiapatit‑Variante – CSLA), einer neuen Art von Supraleiter bei Umgebungsdruck und Raumtemperatur.

Der Anspruch wurde sofort angezweifelt und als Schwindel oder Messfehler kritisiert, aber andere Forscher entdeckten dann, dass doch etwas vor sich gehen könnte.

Doch dies ist nicht die einzige Klasse von Supraleitern, die bei höheren Temperaturen funktionieren könnte.

Kürzlich wurde entdeckt, dass zwei Keramikgruppen (kupferbasierte Cuprate und eisenbasierte Pnictide) als unkonventionelle Supraleiter fungieren, die bei Normaldruck und Temperaturen von bis zu 150 K (–123 °C / –189 °F) arbeiten.

Quelle: Materials Today

Jetzt scheinen Nickelate zu diesen Keramiken zu stoßen, um ein Material zu schaffen, das als Supraleiter bei höheren Temperaturen funktioniert.

Obwohl nicht so warm, ist es viel einfacher, eine Temperatur zu erreichen als bei den heutigen Supraleitern. Zum Beispiel müssen die supraleitenden Magnete von ITER fast bis zum absoluten Nullpunkt mit flüssigem Helium gekühlt werden, ein sehr energieintensiver und teurer Vorgang.

Insgesamt deutet dies darauf hin, dass Supraleiter mittelfristig deutlich häufiger werden, da immer mehr Varianten entdeckt und erprobt werden.

Supraleitende Nickelate

Nickelate wurde 2019 von Danfeng Li, einem Physiker der City University of Hong Kong, und seinem Kollegen als potenziell supraleitend entdeckt. 2023 zeigte ein weiteres Team die Supraleitung von Nickelaten bei höheren Temperaturen, jedoch unter hohem Druck.

Quelle: Nature

Erst im Dezember 2024 wurden Nickelate zum ersten Mal dabei beobachtet, dass sie bei einer kritischen Temperatur den Widerstand verlieren und magnetische Felder abstoßen – beides starke Anzeichen für Supraleitung.

Um dieses Ergebnis zu erzielen, wurden Einkristallfilme von La2.85Pr0.15Ni2O7 (Lanthan‑Praseodym‑Nickel) mittels einer Technik namens gigantische oxidative atomschichtweise epitaktische Schichtung (GOALL‑Epitaxy) gezüchtet. Diese Technik wurde vom selben Forscherteam entwickelt und ermöglicht mehrere Größenordnungen stärkere Oxidation sowie Präzision bei der Herstellung von Materialschichten auf atomarer Ebene.

Quelle: Research Gate

Fortgeschrittene Analysemethoden wurden eingesetzt, um die nickelbasierte Verbindung zu untersuchen, darunter Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM)-Bilder und Röntgen‑Reziprokraum‑Abbildungen (RSMs).

Sie zeigten das Auftreten einer tetragonalen Phase in der Nickeloxidschicht, die unter den richtigen Bedingungen für den freien Elektronenfluss verantwortlich sein könnte.

Verbesserung supraleitender Materialien

Die als Vorversuch zur Verbesserung der Nickelat‑Eigenschaften eingesetzte Methode kann weiter optimiert werden. Dies sollte zu mehreren Tests führen, um die Temperatur dieser Supraleiter weiter zu erhöhen.

“Es besteht die große Hoffnung, dass wir die kritische Temperatur schließlich erhöhen und solche Materialien für Anwendungen nützlicher machen können.” Danfeng Li – Physiker an der City University of Hong Kong.

Die Analyse zeigt, dass der Prozess, der Nickelaten Supraleitung verleiht, demjenigen ähnlich ist, der die Cuprate (aus Kupfer) beeinflusst.

”Die Steigerung dessen hat Priorität. Das Team versucht verschiedene Tricks, um das Wachstum des Materials und seine genaue Zusammensetzung zu optimieren.” Zhuoyu Chen – Physiker an der SUSTech

Experimente vor der Theorie

Es sollte bemerkt werden, dass die jüngsten Ergebnisse zu Hochtemperatur‑Supraleitern oder sogar potenziellen Raumtemperatur‑Supraleitern der theoretischen Physik in diesem Bereich vorauslaufen.

Warum sie funktionieren, bleibt also ein Rätsel. Es gibt noch keine vollständige Erklärung dafür, warum diese Materialien Supraleiter sind, und noch weniger eine prädiktive Methode, um vorherzusagen, welches Material diese Eigenschaften zeigen könnte.

Bisher hat die Notwendigkeit von Hochdruck‑ oder extrem kalten Bedingungen die Untersuchung dieser Materialien stark behindert, da es schwierig war, etwas zu testen, wenn Supraleitung nur in einer Diamant‑Backe oder mit flüssigem Helium auftritt.

Einfacher zu haltende Bedingungen sollten den Wissenschaftlern deutlich mehr Spielraum geben, diese Materialien zu untersuchen und zu modifizieren.

Damit bleibt viel Raum für Verbesserungen, und ein besseres Verständnis dieser Materialien, auch mit Hilfe von KI, sollte weitere Fortschritte ermöglichen.

Es sollte zudem mehr Forscher in diesem Feld aktivieren und mehr Unternehmen dazu bringen, ihre F&E‑Budgets in diese Projekte zu investieren, wodurch das Fortschrittstempo beschleunigt wird.

Zukünftige Anwendungen

Hochtemperatur‑Supraleiter wären ein sofortiges Wundermaterial, wenn man sie gut genug versteht, um sie in großem Maßstab herzustellen.

Der erste unmittelbare Effekt wäre die Senkung der Kosten für bereits auf Supraleitung basierende Geräte, wie MRT, Magnetschwebebahnen, fortschrittliche Turbinen und Generatoren, Teilchenbeschleuniger, experimentelle Fusionsreaktoren usw.

Sie würde auch Technologien ermöglichen, die bislang entweder überhaupt nicht realisierbar waren oder aufgrund der technischen Beschränkungen von Niedertemperatur‑Supraleitern prohibitiv teuer waren.

Dazu gehören Hyperloop‑Züge, Massenantriebe für den Orbit, kommerzielle Kernfusion, interkontinentale Netzanbindungen usw. Jede dieser Technologien würde den Verlauf der menschlichen Zivilisation für immer verändern.

Führende Unternehmen in Supraleitungslösungen

AMSC ist ein Unternehmen, das Energiesysteme für das Stromnetz, Schiffe und Windenergie bereitstellt. Im Allgemeinen gilt: Je energieintensiver oder größer ein System ist, desto mehr benötigt es supraleitende Technologie, um Überhitzung zu vermeiden.

Trotz seines Namens liefert ASMC nicht nur Supraleitungssysteme, sondern beispielsweise auch Getriebeantriebe für Windturbinen.

Das Unternehmen profitiert von mehreren Wachstumstreibern, von der Elektrifizierung und Digitalisierung (einschließlich KI‑Rechenzentren) bis hin zur Rückverlagerung von US‑Produktionskapazitäten und dem Bedarf der Marinen des anglophonen Raums, sich angesichts wachsender geopolitischer Risiken zu modernisieren.

Quelle: American Superconductor Corporation [securities_stock_price_tag symbol="AMSC" exchange="NASDAQ"]

Im Bereich Stromversorgung verzeichnet AMSC einen stetigen Anstieg der Aufträge. Dieser wurde durch Halbleiterfabriken getrieben, die sich vor Schwankungen des Stromnetzes schützen wollen, das Netz bei der intermittierenden Natur erneuerbarer Energien unterstützen und die Stromversorgung & Steuerungen an Industrieanlagen.

Quelle: American Superconductor Corporation

Im Bereich Windturbinen ist AMSC hauptsächlich mit dem Electrical Control System (ECS) aktiv. Historisch war ESC ein starkes Segment für das Unternehmen mit den 2‑MW‑Windturbinen, hat jedoch schrittweise abgenommen. AMSC strebt dank des neuen 3‑MW‑Turbinen-Designs eine Erholung an, mit besonderem Fokus auf den indischen Markt.

Quelle: American Superconductor Corporation

Für Militärschiffe liefert ASMC das „AMSC High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure“, ein System, das die magnetische Signatur der Schiffe verändert, um sie vor Seeminen zu schützen. Dieses wird an die Marinen der USA, Kanadas und des Vereinigten Königreichs verkauft, bisher im Wert von 75 Mio. $ an Aufträgen.

Insgesamt erzielt ASMC die besten Ergebnisse, wenn es Supraleitungstechnologie in heute realisierbaren Nischenanwendungen nutzt, während es wahrscheinlich bereit ist, weitere Fortschritte in der Zukunft einzusetzen. Investoren sollten zudem beachten, dass die Aktie in der Vergangenheit extreme Volatilität gezeigt hat, und die Risiken entsprechend kalkulieren.

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Studienreferenz:

^{1.Zhou, G., Lv, W., Wang, H. et al.(2025) Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z}