Elektrochemische Oxidation für ultrahohe kritische Ströme

Supraleitende Materialien besitzen die einzigartige Eigenschaft, dass sie unterhalb einer kritischen Temperatur Strom widerstandsfrei transportieren können. Das ermöglicht neuartige, hoch-effiziente Anwendungen im Bereich der modernen Elektrizitätswirtschaft (Erzeugung, Transport), der Medizin (MRT) und der Forschung. Die dafür am besten geeigneten, bekannten Supraleiter sind so genannte Hochtemperatur Supraleiter, insbesondere die Oxidverbindung Y-Ba-Cu-O. Der Sauerstoffanteil in diesem Material ist entscheidend für die supraleitenden Eigenschaften: ins Oxid eingebauter Sauerstoff generiert freie elektrische Ladung (Elektronenlöcher), deren Konzentration die supraleitende Übergangstemperatur bestimmt und starken Einfluss auf die größtmögliche, widerstandsfreie Stromdichte hat. Klassischerweise wird der Sauerstoffanteil durch das Erhitzen unter kontrollierter Sauerstoffatmosphäre reguliert. Diese Methode ist zwar sehr einfach, bietet aber nur begrenzte Möglichkeiten um den Sauerstoffgehalt präzise zu modulieren. In diesem Forschungsprojekt erforschen wir einen innovativen Weg um Sauerstoff elektrochemisch in den Supraleiter zu pumpen. Dafür benützen wir das gleiche Konzept wie herkömmliche Brennstoffzellen (oder auch Batterien) und trennen elektrische und ionische Ströme durch die Verwendung eines Elektrolyten. Dieser für die Supraleitung neuartige Ansatz erlaubt nicht nur die Entkoppelung der Sauerstoffeinbaureaktion von der langsamen und anfälligen Oberfläche des Supraleiters und eine sehr präzisen Bestimmung der eingebauten Sauerstoffionen durch die gleichzeitige Messung der transportierten elektrischen Ladung, sondern erweitert auch die mögliche Gleichgewichtskonzentration des Sauerstoffs zu bislang unerreichten Werten. Das ist insofern äußerst interessant, als vorausgegangene Forschung zeigte, dass die Erhöhung des Sauerstoffgehalts um weniger als 1% bereits zur Verdoppelung des maximalen verlustfreien Stroms führen kann. Die Erschließung dieses s.g. überdotieren Bereichs ist aber auch für das bessere Verständnis der Supraleitung wesentlich, da dort die elektronische Struktur frei von konkurrierenden Phasen ist. Dank beispieloser Kontrolle über die Lochdotierung, können wir ihren Einfluss auf die supraleitenden Eigenschaften systematisch untersuchen, mit dem Ziel den kritischen Strom dem intrisischen, physikalischen Limit anzunähern. Gleichzeitig erforschen wir innovative Wege um diesen elektrochemischen Ansatz in die kommerzielle Produktion von Supraleitern zu integrieren, um eine anwendungsspezifische Leiteroptimisierung zu ermöglichen. Diese Forschungsarbeit umfasst die Herstellung, elektrochemische Modifikation und eingehende Analyse von supraleitenden dünnen Schichten an der TU Wien in Kollaboration mit internationalen Partnern in Barcelona (ICMAB) und Grenoble (LMGP), und verknüpft dabei Expertise aus den Bereichen Materialwissenschaft, Elektrochemie und Supraleitung um unser Verständnis des supraleitenden Zustands zu vertiefen.