16.09.2020 - Max-Planck-Institut für Chemie

Auf dem Weg zum Stromtransport der Zukunft

Supraleitung in Schwefelwasserstoff

Supraleitende Kabel könnten Strom verlustfrei transportieren. So müsste weniger Strom erzeugt, Kosten und Treibhausgase könnten eingespart werden. Eine aufwendige Kühlung steht dem entgegen, denn bisherige Supraleiter verlieren ihren elektrischen Widerstand erst bei extrem niedrigen Temperaturen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellen Wissenschaftler jetzt neue Erkenntnisse über Schwefelwasserstoff der Zusammensetzung H3S und sein Deuterium-Analogon D3S vor, die unter Druck bereits bei −77 bzw. −107 °C supraleitend werden – eine vergleichsweise hohe Temperatur.

Das gilt auch im Vergleich zu den bisherigen Spitzenreitern, kupferhaltigen Keramiken mit Sprungtemperaturen von ca. −135 °C. Trotz vieler Forschungsarbeiten über das System Schwefel/Wasserstoff sind wichtige Fragen noch unbeantwortet. Vor allem wurde supraleitender Schwefelwasserstoff bisher aus „normalem“ Schwefelwasserstoff H2S hergestellt, indem er mit Drücken um 150 GPa (1,5 Mio. bar) in einen metallartigen Zustand mit der Zusammensetzung H3S gebracht wird. Solche Proben sind unausweichlich mit Wasserstoff-armen Nebenprodukten kontaminiert, die die Ergebnisse verfälschen können. Um dies zu vermeiden, stellten die Forscher um Vasily S. Minkov jetzt stöchiometrisches H3S her, indem sie elementaren Schwefel mit einem Überschuss Wasserstoff (H2) direkt unter Druck per Laser erhitzten. Zusätzlich stellten sie Proben unter Verwendung des Wasserstoffisotops Deuterium (D2) her.

Ursache für die vergleichsweise hohe Sprungtemperatur von H3S sind dessen Wasserstoffatome, die im Kristallgitter besonders hochfrequent schwingen. Da Deuteriumatome schwerer sind als Wasserstoffatome, schwingen sie etwas langsamer und es waren niedrigere Sprungtemperaturen für D3S zu erwarten. Mittels Analysen konnte das Team vom Max-Planck Institut für Chemie (Mainz), der University of Chicago (USA) und dem Soreq Nuclear Research Center (Yavne, Israel) die Phasendiagramme von H3S und D3S in Abhängigkeit von Druck und Temperatur verfeinern und deren supraleitende Eigenschaften genauer beleuchten.

Bei 111 bis 132 GPa und ca. 400 bis 700 °C ergaben die Synthesen nichtmetallische, elektrisch isolierende Strukturen (Cccm-Phasen), die weder durch Kühlen noch durch höheren Druck in Metall umwandeln. Sie enthalten molekulare H2- (bzw. D2-)Einheiten in der Kristallstruktur, die auch der Grund für die Drosselung der Supraleitung sind. Die erwünschten supraleitenden Strukturen, kubische Im-3m-Phasen,a entstanden bei Synthesen oberhalb 150 GPa bei ca. 1200 bis 1700 °C. Sie sind metallisch, glänzen und zeigen geringen elektrischen Widerstand. Proben von Im-3m-H3S zeigten bei 148 bis 170 GPa Sprungtemperaturen um −77 °C. Die D3S-Analoga zeigten eine Sprungtemperatur, die mit etwa −107 °C bei 157 GPa deutlich höher lag als erwartet. Senken des Drucks führte reversibel zu abruptem Abfall der Sprungtemperatur und Verlust der metallischen Eigenschaften. Ursache sind rhombische Verzerrungen der Kristallstruktur (R3m-Phase). Erhitzen unter Druck wandelte die R3m irreversibel in eine Cccm-Phase um. R3m ist offenbar eine metastabile Zwischenform, die nur bei Dekompression auftritt.

Die Forscher hoffen, zukünftig andere wasserstoffreiche Verbindungen zu finden, die sich auch ohne hohe Drücke in Metalle umwandeln lassen und bei Raumtemperatur supraleitend werden.

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