Die Hydridforschung verschiebt die Grenzen der praktischen, zugänglichen Supraleitung

Dank der multinationalen Forschung unter der Leitung von Xiaojia Chen an der University of Houston macht die Wissenschaft einen Schritt vorwärts bei der Suche nach Supraleitern, für deren Funktion kein ultrahoher Druck erforderlich ist.

„Es ist seit langem das Ziel von Supraleitungsforschern, die kritischen Kontrollen, die derzeit in Bezug auf Temperatur und Druck erforderlich sind, zu erleichtern oder sogar zu eliminieren“, sagte Chen, MD Anderson-Professor für Physik am College of Natural Sciences and Mathematics der UH und leitender Forscher am Texas Center für Supraleitung an der UH.

Die Entwicklung hin zur Eliminierung der derzeit für supraleitendes Material erforderlichen besonderen Handhabung – definiert als Material, das wenig oder keine Impedanz gegenüber elektrischem Widerstand oder magnetischen Feldern bietet – deutet darauf hin, dass das Potenzial für radikale Effizienzsteigerungen bei bestimmten Prozessen in der Forschung, im Gesundheitswesen usw. besteht. Industrie und andere Wirtschaftsunternehmen könnten schon bald Realität werden.

Doch derzeit überfordern die Voraussetzungen für eine erfolgreiche Supraleitung die Ressourcen vieler potenzieller Nutzer, sogar vieler Forschungslabore.

Chen erklärt, dass die Senkung des für die Supraleitung zugänglichen Drucks ein wichtiges Ziel der aktuellen Studien zu Hydriden ist. „Aber die Experimente stellen immer noch die Herausforderung dar, überzeugende Beweise zu liefern“, sagte er.

„Zum Beispiel wurde berichtet, dass Seltenerdhydride nahe Raumtemperatur Supraleitung zeigen. Dies basiert auf der Beobachtung zweier wesentlicher Eigenschaften – des Nullwiderstandszustands und des Meissner-Effekts“, sagte Chen.

(Der 1933 entdeckte Meissner-Effekt erkennt eine Abnahme oder Umkehr des Magnetismus, wenn ein Material Supraleitung erreicht, und bietet Physikern eine Methode zur Messung der Änderung.)

„Diese supraleitenden Seltenerdmaterialien funktionierten jedoch nur bei extrem hohen Drücken erfolgreich. Um voranzukommen, müssen wir den Synthesedruck so niedrig wie möglich reduzieren, idealerweise auf atmosphärische Bedingungen“, erklärte Chen.

Chens Team gelang der Durchbruch mit der Wahl des leitfähigen Mediums – Hydridlegierungen, bei denen es sich um im Labor hergestellte metallische Substanzen handelt, die Wasserstoffmoleküle mit zwei Elektronen enthalten. Konkret arbeiteten sie mit Yttrium-Cer-Hydriden (Y0,5Ce0,5H9) und Lanthan-Cer-Hydriden (La0,5Ce0,5H10).

Es wurde festgestellt, dass der Einschluss von Cer (Ce) einen entscheidenden Unterschied macht.

„Diese Beobachtungen wurden aufgrund des verstärkten chemischen Vorkompressionseffekts durch die Einführung des Ce-Elements in diese Superhydride nahegelegt“, erklärte Chen.

Zwei Zeitschriftenartikel erläutern die Ergebnisse des Teams. Je neuer, in Naturkommunikation, konzentriert sich auf Yttrium-Cer-Hydride; der andere, in Zeitschrift für Physik: Kondensierte Materiekonzentriert sich auf Lanthan-Cer-Hydride.

Das Team hat herausgefunden, dass diese Supraleiter relativ hohe Übergangstemperaturen aufrechterhalten können. Mit anderen Worten: Die Lanthan-Cer-Hydride und Yttrium-Cer-Hydride sind in der Lage, unter weniger extremen Bedingungen (bei niedrigerem Druck, aber relativ höherer Übergangstemperatur) supraleitend zu sein, als dies bisher möglich war.

„Dies bringt uns in unserer Entwicklung hin zu einem funktionsfähigen und relativ verfügbaren supraleitenden Medium voran“, sagte Chen. „Wir haben unsere Ergebnisse mehreren Messungen des elektrischen Transports, der Synchrotron-Röntgenbeugung, der Raman-Streuung und theoretischen Berechnungen unterzogen. Die Tests bestätigten, dass unsere Ergebnisse konsistent bleiben.“

„Dieser Befund weist auf einen Weg zur Hochtemperatur-Supraleitung hin, der in vielen aktuellen Laborumgebungen zugänglich ist“, erklärte Chen. Die Hydridforschung verschiebt die Grenzen weit über den anerkannten Standard hinaus, der von Kupferoxiden (auch bekannt als Cuprate) gesetzt wird.

„Wir haben noch einen weiten Weg vor uns, um echte Umgebungsbedingungen zu erreichen. Das Ziel bleibt, Supraleitung bei Raumtemperatur und einem Druck zu erreichen, der unserer vertrauten bodennahen Atmosphäre entspricht. Die Forschung geht also weiter“, sagte Chen.