Suche nach neuen supraleitenden Hydriden wird einfacher

Regel zur Vorhersage neuer supraleitender Metallhydride gefunden

20.04.2020 - Russische Föderation

Die Suche nach den begehrten Hochtemperatur-Supraleitern wird durch ein neues "Gesetz in einem Gesetz" erleichtert, das von den Forschern von Skoltech und MIPT und ihren Kollegen entdeckt wurde, die einen Zusammenhang zwischen der Position eines Elements im Periodensystem und seinem Potenzial zur Bildung eines supraleitenden Hochtemperatur-Hydrids herausgefunden haben. Die neue Studie wird in der Zeitschrift Current Opinion in Solid State & Materials Science veröffentlicht. Die Forschung wurde von der Russischen Wissenschaftsstiftung unterstützt.

Supraleitende Materialien, die keinen Widerstand haben und somit keine Energie an Wärme abgeben, wären für unsere Elektronik und Stromnetze äußerst nützlich. Supraleitende Magnete werden bereits in der MRT-Maschine Ihres örtlichen Krankenhauses und in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider am CERN verwendet.

Im Moment gibt es zwei Wege, um zur Supraleitung zu gelangen, beide im Extremfall: sehr niedrige Temperaturen oder sehr hohe Drücke. Einige der "wärmsten" Supraleiter der ersten Art, die Cuprate, müssen noch auf einige 100 K (-173 °C) heruntergekühlt werden, was von normalen Bedingungen weit entfernt ist. Es gibt Vorhersagen, dass metallischer Wasserstoff schon bei fast Raumtemperatur supraleitende Eigenschaften zeigen kann; der Haken liegt in dem erforderlichen Druck, der mehr als 4 Millionen Atmosphären beträgt, fast an der Grenze unserer technischen Möglichkeiten.

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Deshalb beschäftigen sich Wissenschaftler mit Hydriden, Verbindungen aus Wasserstoff und einem anderen Element, und es hat sich gezeigt, dass sie bei relativ hohen Temperaturen und niedrigeren Drücken als Supraleiter funktionieren. Der aktuelle Rekord von bis zu minus 23 °C wurde im vergangenen Jahr für LaH10, Lanthandecahydrid, bei einem Druck von 170 Gigapascal, also 1,7 Millionen Atmosphären, aufgestellt. Auch wenn die Drücke immer noch zu hoch sind, um einen praktischen Einsatz zu ermöglichen, hat die Forschung an supraleitenden Hydriden bereits wichtige Auswirkungen auf andere Klassen von Supraleitern, die bei normalem Druck und normaler Temperatur funktionieren könnten.

Skoltech-Doktorand Dmitrii Semenok und Skoltech- und MIPT-Professor Artem R. Oganov haben zusammen mit ihren Kollegen eine Regel gefunden, die es erlaubt, die maximale supraleitende kritische Temperatur, maxTC, für ein Metallhydrid vorherzusagen, das nur auf der elektronischen Struktur der Metallatome basiert. Dies bedeutet, dass die Suche nach neuen supraleitenden Hydriden einfacher wird.

"Die Verbindung zwischen Supraleitung und dem Periodensystem war anfangs rätselhaft. Wir sind uns immer noch nicht ganz sicher über ihren Ursprung, aber wir glauben, dass dies daran liegt, dass die Elemente an der Grenze zwischen s- und p- oder s- und d-Elementen (ungefähr zwischen der 2. und 3. Gruppe des Periodensystems) eine elektronische Struktur haben, die ungewöhnlich empfindlich auf das Kristallfeld reagiert, und dies ist perfekt für die Elektron-Phonon-Kopplung, die die Ursache der Supraleitung in Hydriden ist", sagte Artem R. Oganov, ein Mitautor der Arbeit.

Neben der Entdeckung einer qualitativen Regel trainierten sie auch ein neuronales Netzwerk zur Vorhersage der MaxTC für Verbindungen, für die keine experimentellen oder theoretischen Daten verfügbar waren. Bei einigen Elementen schienen zuvor veröffentlichte Daten zur Tc von Hydriden vom regulären Verhalten abzuweichen. Die Forscher machten sich dann daran, diese Daten mit Hilfe von USPEX, dem von Oganov und seinen Studenten entwickelten evolutionären Algorithmus zur Vorhersage thermodynamisch stabiler Hydride dieser Elemente, zu überprüfen.

"Für Elemente, bei denen die veröffentlichten Werte von maxTc (basierend auf der entdeckten Regel) zu niedrig oder zu hoch waren, führte die Gruppe eine systematische Suche nach stabilen Hydriden durch. Ihre neuen Daten bestätigten die entdeckte Regel und ergaben neue Hydride für Magnesium (Mg), Strontium (Sr), Barium (Ba), Cäsium (Cs) und Rubidium (Rb). Zum Beispiel hat ein vorhergesagtes Strontiumhexahydrid, SrH6, eine maximale Temperaturkonstante von 189 K (minus 84C) bei 100 GPa, während BaH12, ein theoretisches Barium-Superhydrid, eine relativ hohe maximale Temperaturkonstante von bis zu 214 K (minus 59C) haben könnte", sagte Alexander Kvashnin, leitender Forschungswissenschaftler von Skoltech und MIPT und Mitverfasser der Forschungsergebnisse.

Zu Beginn des Jahres 2019 synthetisierten Oganow und seine Kollegen aus Russland, den USA und China das Cer-Superhydrid CeH9, das supraleitende Eigenschaften bei 100-110 K und bei einem (relativ) niedrigen Druck von 120 GPa aufweist. Ein weiterer von der Forschungsgruppe (Dmitry Semenok, Ivan Troyan, Alexander Kvashnin, Artem R. Oganov und ihre Kollegen) entdeckter Supraleiter, das Thoriumhydrid ThH10, hat eine hohe kritische Temperatur von 161 K.

"Mit Hilfe der neu entdeckten Regel und des neuronalen Netzes können wir uns jetzt auf komplexere Verbindungen konzentrieren, die in unserem Streben nach Supraleitung bei Raumtemperatur noch vielversprechender sind - ternäre Superhydride, die zwei Elemente und Wasserstoff enthalten. Wir haben bereits eine Reihe von Hydriden vorhergesagt, die es mit LaH10 aufnehmen oder übertreffen können", sagte der Erstautor der Arbeit, Dmitrii Semenok.

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