04.10.2019 - Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT)

Forscher synthetisieren "unmöglichen" Supraleiter

Forscher aus den USA, Russland und China haben die Regeln der klassischen Chemie gebrochen und eine "verbotene" Verbindung aus Cer und Wasserstoff - CeH9 - synthetisiert, die bei einem relativ niedrigen Druck von 1 Million Atmosphären Supraleitung zeigt.

Supraleiter sind Materialien, die einen elektrischen Strom ohne jeglichen Widerstand leiten können. Sie stecken hinter den leistungsstarken Elektromagneten in Teilchenbeschleunigern, Magnetschwebebahnen, MRT-Scannern und könnten theoretisch Stromleitungen ermöglichen, die Strom von A nach B liefern, ohne die kostbaren Kilowatt an Wärmeabfuhr zu verlieren.

Leider können die heute bekannten Supraleiter nur bei sehr niedrigen Temperaturen (unter -138 Grad Celsius) arbeiten, und der neueste Rekord (-13 Grad Celsius) erfordert extrem hohe Drücke von fast 2 Millionen Atmosphären. Dies schränkt den Anwendungsbereich ein und macht die verfügbaren supraleitenden Technologien teuer, da die Aufrechterhaltung ihrer relativ extremen Betriebsbedingungen eine Herausforderung darstellt.

Theoretische Vorhersagen deuten auf Wasserstoff als potenziellen Kandidaten für die Raumtemperatur-Supraleitung hin. Allerdings würde die Überführung von Wasserstoff in einen supraleitenden Zustand einen enormen Druck von etwa 5 Millionen Atmosphären erfordern, verglichen mit 3,6 Millionen Atmosphären im Zentrum der Erde. So stark komprimiert, dass es sich in ein Metall verwandeln würde, aber das würde den Zweck des Betriebs unter Standardbedingungen zunichte machen.

"Die Alternative zur Metallisierung von Wasserstoff ist die Synthese von sogenannten "verbotenen" Verbindungen eines Elements - Lanthan, Schwefel, Uran, Cer, etc. -- und Wasserstoff, mit mehr Atomen als die klassische Chemie zulässt. So könnte man normalerweise von einer Substanz mit einer Formel wie CeH2 oder CeH3 sprechen. Aber unser Cer-Superhydrid -- CeH9 -- packt deutlich mehr Wasserstoff und verleiht ihm spannende Eigenschaften", erklärte ein Autor der Studie, Professor Artem R. Oganov von Skoltech und dem Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT).

Da Materialwissenschaftler die Supraleitung bei höheren Temperaturen und niedrigeren Drücken verfolgen, kann der eine auf Kosten des anderen gehen. "Während Cer-Superhydrid erst nach dem Abkühlen auf -200 Grad Celsius supraleitend wird, zeichnet sich dieses Material dadurch aus, dass es bei einem Druck von 1 Million Atmosphären stabil ist - weniger als das, was die zuvor synthetisierten Schwefel- und Lanthan-Superhydride benötigen. Andererseits ist Uransuperhydrid bei noch niedrigerem Druck stabil, benötigt aber deutlich mehr Kühlung", fügte Mitautor Ivan Kruglov hinzu, Forscher am MIPT und am Dukhov Research Institute of Automatics.

Um ihren "unmöglichen" Supraleiter zu synthetisieren, legten die Wissenschaftler eine mikroskopische Probe des Metall-Ceriums in eine Diamant-Ambosszelle, zusammen mit einer Chemikalie, die bei Erwärmung Wasserstoff freisetzt - in diesem Fall mit einem Laser. Die Cerprobe wurde zwischen zwei flachen Diamanten gepresst, um den für die Reaktion erforderlichen Druck zu ermöglichen. Mit steigendem Druck bildeten sich im Reaktor Cerhydride mit einem immer größeren Anteil an Wasserstoff: CeH2, CeH3, etc.

Mit Hilfe der Röntgenbeugungsanalyse konnte das Team dann die Positionen der Ceratome erkennen und so indirekt die Struktur der neuen Verbindung aufdecken. Das CeH9-Kristallgitter besteht aus Käfigen mit 29 Wasserstoffatomen in einer nahezu sphärischen Formation. Die Atome in jedem Käfig werden durch kovalente Bindungen zusammengehalten, nicht anders als im bekannten H2-Molekül des Wasserstoffgases, aber etwas schwächer. Jeder Käfig bietet einen Hohlraum, in dem sich ein Ceratom befindet.

Das Aufkommen von USPEX - entwickelt von Skoltech und Artem Oganov von MIPT - und anderen Computeralgorithmen, die die Kristallstruktur von bisher unbekannten "verbotenen" Verbindungen vorhersagen, hat es den Forschern ermöglicht, die Einzelmetallhydride bis ins Detail zu untersuchen. Der nächste Schritt ist das Hinzufügen eines dritten Elements zum Mix: Die dreifachen Verbindungen von Wasserstoff und zwei verschiedenen Metallen sind Neuland. Da die Anzahl der möglichen Kombinationen groß ist, überlegen die Forscher, mit Hilfe von KI-Algorithmen die vielversprechendsten Kandidaten auszuwählen.

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