Suche nach thermodynamisch stabilen supraleitenden Hydriden bei Umgebungsdruck in der GNoME-Datenbank

Warum supraleitende Materialien bei Raumtemperatur wichtig sind

Supraleiter sind Materialien, die Strom ohne Verluste leiten können und damit extrem effiziente Stromnetze, leistungsstarke medizinische Scanner und schwebende Züge ermöglichen könnten. Der Haken ist, dass die besten heutigen Supraleiter meist nur bei sehr tiefen Temperaturen oder unter enormen Drücken funktionieren. Dieser Artikel untersucht, ob eine bestimmte Klasse wasserstoffreicher Materialien, sogenannte Hydride, unter alltäglichen, normalen Druckbedingungen supraleitend werden können – ein entscheidender Schritt in Richtung praktischer Anwendungen.

Die Suche nach der Nadel im kristallinen Heuhaufen

In den letzten zehn Jahren entdeckten Forscher Hydride, die bei Temperaturen nahe der Raumtemperatur supraleitend sind, aber nur, wenn sie zwischen Diamantstempeln auf Drücke komprimiert werden, die mehr als eine Million Mal so hoch sind wie der Atmosphärendruck. Solche Bedingungen sind für reale Kabel oder Elektronik unpraktikabel. Theoretische Arbeiten deuten zugleich darauf hin, dass einige Hydride bei deutlich niedrigeren Drücken, sogar bei normalem Atmosphärendruck, supraleitend sein könnten, doch viele dieser vielversprechenden Phasen erscheinen zu instabil, um außerhalb von Rechnern zu existieren. Die Kernfrage dieser Arbeit ist, ob es Hydride gibt, die sowohl thermodynamisch stabil bei Umgebungsdruck sind als auch eine ausreichend hohe Supraleitungstemperatur aufweisen, um technologisch interessant zu sein.

Eine smarte Datenbank übernimmt die Schwerarbeit

Die Autoren griffen auf eine kürzlich veröffentlichte Ressource namens GNoME-Datenbank zurück, eine riesige Sammlung von computerprognostizierten Kristallen, die bei absolutem Nullpunkt als stabil eingestuft werden. Aus mehr als 300.000 Kandidaten filterten sie zunächst Materialien heraus, die nicht metallisch sind, und konzentrierten sich auf solche mit kubischer Kristallstruktur – ein Muster, das bereits als vorteilhaft für Supraleitung in Hydriden bekannt ist. So entstand eine handhabbare Menge von einigen hundert Hydriden. Um die enormen Rechenkosten einer vollständigen Analyse jedes einzelnen zu vermeiden, nutzten sie ein maschinelles Lernmodell – ein fortgeschrittenes neuronales Netzwerk, das auf bekannten Supraleitern trainiert wurde –, um schnell die Sprungtemperatur zu schätzen, bei der jedes Material supraleitend würde.

Von schnellen Schätzungen zu sorgfältigen Rechnungen

Nur die vielversprechendsten Kandidaten aus der Phase des maschinellen Lernens wurden an genauere quantenmechanische Berechnungen weitergegeben. Diese hochpräzisen Simulationen behandelten, wie Elektronen in einem Material mit den Schwingungen des Kristallgitters wechselwirken, was der zentrale konventionelle Mechanismus hinter Supraleitung ist. In dieser zweiten Stufe berechneten die Forschenden zuverlässigere Sprungtemperaturen und identifizierten 25 Hydride, die bei Temperaturen oberhalb des Siedepunkts von flüssigem Helium (4,2 Kelvin) supraleitend sein sollten. Die meisten liegen zwischen 5 und 10 Kelvin, ähnlich wie einige kommerzielle supraleitende Legierungen, sind aber entscheidend: sie werden als thermodynamisch stabil bei Umgebungsdruck vorhergesagt und sind damit realistischere Ziele für die experimentelle Synthese.

Ein herausragender Kandidat und seine inneren Mechanismen

Eine Verbindung, ein kubisches Hydrid namens LiZrH6Ru, stach in der Untersuchung besonders hervor. Erste Schätzungen deuteten auf eine Sprungtemperatur über 20 Kelvin hin, bereits bemerkenswert hoch für ein stabiles Hydrid bei Umgebungsdruck. Das Team unterzog dieses Material dann einer Reihe fortgeschrittener theoretischer Tests, darunter Methoden, die die quantenmechanische Bewegung von Wasserstoffatomen berücksichtigen, subtile Elektron–Elektron-Abstoßungseffekte und die Möglichkeit, dass verschiedene elektronische Bänder unterschiedlich zur Supraleitung beitragen. Diese zunehmend anspruchsvolleren Behandlungen senkten die beste Schätzung der Sprungtemperatur auf rund 17 Kelvin, stärkten aber gleichzeitig die Zuversicht, dass die Vorhersage realistisch ist. Außerdem zeigten sie, dass moderate Kompression die Sprungtemperatur weiter erhöhen könnte, während sie immer noch weit unter den kolossalen Drücken liegt, die für rekordbrechende Hydride erforderlich sind.

Versprechen, Grenzen und nächste Schritte

Zwar kommt keiner der entdeckten Hydride bei Umgebungsdruck annähernd an eine Raumtemperatur-Supraleitung heran, doch liefert diese Studie eine wichtige Botschaft: Wenn die Forderung nach echter thermodynamischer Stabilität strikt eingehalten wird, sind die realistischsten supraleitenden Hydride bei Normaldruck voraussichtlich auf moderate, aber dennoch technologisch relevante kritische Temperaturen im Bereich von wenigen zehn Kelvin beschränkt. Die Autoren argumentieren, dass ihre sorgfältig geprüfte Liste von 25 Kandidaten, insbesondere LiZrH6Ru, experimentellen Gruppen konkrete und erreichbare Ziele bietet. Die Bestätigung dieser Vorhersagen im Labor würde sowohl potenzielle Anwendungen voranbringen als auch die Werkzeuge zur Suche im riesigen Raum möglicher supraleitender Materialien schärfen.

Zitation: Sanna, A., Cerqueira, T.F.T., Cubuk, E.D. et al. Search for thermodynamically stable ambient-pressure superconducting hydrides in the GNoME database. Commun Phys 9, 94 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02552-4

Schlüsselwörter: Supraleitung, Hydride, Maschinelles Lernen, Materialentdeckung, Umgebungsdruck