Die umfassende Charakterisierung von Wasserstoff bei ultrahohen Drücken

Physiker und Materialwissenschaftler versuchen seit vielen Jahrzehnten, Wasserstoff zu metallisieren, aber es ist ihnen noch nicht gelungen. 1968 sagte der britische Physiker Neil Ashcroft voraus, dass atomarer metallischer Wasserstoff ein Hochtemperaturhalbleiter sein würde.

Jüngste Studien legten auch nahe, dass diese schwer fassbare und hypothetische Form von Wasserstoff auch Strom ohne Widerstand leiten würde, wenn seine Temperatur die von kochendem Wasser übersteigt. Diese Vorhersage ebnete schließlich den Weg für die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung in Hydriden (dh Verbindungen, die Wasserstoff und ein Metall enthalten).

Forscher der Sapienza University of Rome, der Sorbonne University, des CNRS und der International School for Advanced Studies (SISSA) haben kürzlich eine Studie durchgeführt, die darauf abzielt, das Verhalten und die Eigenschaften von Wasserstoff bei hohen Drücken gründlich zu charakterisieren. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Naturphysikskizziert ein hochgenaues Phasendiagramm von Hochdruckwasserstoff, das die laufenden Bemühungen zur Erzeugung von atomarem metallischem Wasserstoff informieren könnte.

„Die fortschrittlichsten Labors weltweit versuchen, stabilen atomaren metallischen Wasserstoff zu synthetisieren, indem sie Wasserstoffmoleküle in Diamantambosszellen bis zu einem Druck komprimieren, der millionenfach höher ist als der atmosphärische“, sagte Lorenzo Monacelli, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys .org. „Allerdings ist die kovalente H2-Bindung eine der stärksten in der Chemie, und der Druck, der erforderlich ist, um die Wasserstoffkerne nahe genug heranzudrücken, um die molekulare Bindung aufzubrechen, ist weitaus höher als erwartet.“ Unsere Arbeit begründet die neuesten experimentellen Erkenntnisse und berichtet über die genaueste Bestimmung des Hochdruck-Wasserstoff-Phasendiagramms.“

Das Verhalten und die Eigenschaften von Wasserstoff unter hohen Drücken zuverlässig zu untersuchen, ist eine herausfordernde Aufgabe, da die notwendigen Experimente schwierig durchzuführen sind, während Standard-Simulationswerkzeuge oft unzuverlässige Ergebnisse liefern. Monacelli und seine Kollegen verwendeten fortschrittliche Computerwerkzeuge, um ein Phasendiagramm von Wasserstoff und Deuterium bei niedrigen Temperaturen und hohen Drücken zu erstellen.

„Bei einem so hohen Druck sind viele verschiedene molekulare Phasen stabil“, erklärte Michele Casula, ein weiterer an dieser Studie beteiligter Forscher. „Es ist paradox und faszinierend zu entdecken, wie komplex das Phasendiagramm trotz der Einfachheit seines elementaren Bausteins ist, der nur aus einem Proton und einem Elektron besteht. In gewisser Weise ist es ein besonders bedeutsames Beispiel für das berühmte Motto von Phill Anderson: ‚Mehr ist anders.'“

Fester Wasserstoff besteht vollständig aus freien Elektronen und Protonen, die miteinander wechselwirken. Eine entscheidende Herausforderung bei dem Versuch, Wasserstoff zu simulieren, besteht darin, dass das Quantenverhalten dieser beiden Arten von Teilchen komplexe Wechselwirkungen hervorruft.

„Das Quantenverhalten von Elektronen und Protonen ist unterschiedlich, da jedes Proton etwa das 2.000-fache des Elektrons wiegt“, sagte Casula. „In unserer Arbeit haben wir die ‚beste‘ Methode zur Lösung des elektronischen Problems (dh Quanten-Monte-Carlo-Simulationen) und den besten Ansatz zur Lösung der Protonen-Quanteneffekte verwendet, nämlich die stochastische selbstkonsistente harmonische Approximation.“

Mithilfe dieser hochmodernen Rechentechniken konnten die Forscher eines der bisher genauesten Phasendiagramme von Hochdruck-Wasserstoff erstellen. Insbesondere zeigten sie, dass sich die experimentell schwer fassbare atomare metallische Wasserstoffphase bei 577(4) GPa bilden sollte, nach einer weiteren Phase, in der molekularer Wasserstoff von einer metallischen Phase (bezeichnet als Phase III) in eine andere Phase übergeht, in der der Wasserstoff metallisch ist noch molekular (Phase VI).

„Die umfassende Charakterisierung dieses Materials bei ultrahohen Drücken, die unsere Arbeit liefert, legt nahe, dass die atomare Phase, von der angenommen wird, dass sie ein Supraleiter bei Raumtemperatur ist, experimentell bei viel höheren Drücken als bisher vorgeschlagen gesucht werden muss“, erklärte Casula. „Darüber hinaus ermöglichte unsere Studie die Interpretation neuer experimenteller Ergebnisse in scheinbarem Widerspruch, da Forscher die Kristallstruktur bei solch hohen Drücken indirekt untersuchen können.“

Das von diesem Forscherteam berechnete neue Phasendiagramm von Hochdruck-Wasserstoff legt nahe, dass Wasserstoff mit steigendem Druck allmählich metallische Eigenschaften annimmt. Es zeigt auch, warum frühere Experimente möglicherweise nicht erfolgreich waren, atomaren metallischen Wasserstoff zu erhalten, nämlich weil die in Experimenten getesteten Drücke nicht hoch genug waren.

In ihrer Veröffentlichung präsentieren Monacelli, Casula und ihre Kollegen auch eine vollständige und erschöpfende spektroskopische Charakterisierung von Wasserstoff. Zusammen mit dem von ihnen erstellten Phasendiagramm könnte diese Charakterisierung zukünftige Forschungsbemühungen informieren, die darauf abzielen, Wasserstoff in seiner atomaren metallischen Phase zu beobachten.

„Bemerkenswerterweise haben wir eine eindeutige Isotopenverschiebung für die Übergangsdrücke vorhergesagt, die vor kurzem gemessen und bestätigt wurde“, fügte Monacelli hinzu. „Wir konzentrieren uns jetzt darauf, die supraleitenden Eigenschaften von Wasserstoff bei hohem Druck zu untersuchen. Dieses Problem ist spannend und stellt uns vor kritische Herausforderungen, da die aktuelle Theorie der Supraleitung, die auf der Wechselwirkung zwischen Gitterschwingungen (Phononen) und Elektronen basiert, einige entscheidende Aspekte von Wasserstoff übersieht und Hydride.“

Monacelli und Casula wiesen darauf hin, dass die aktuelle Theorie der Supraleitung die starke anharmonische Ausbreitung von Phononen, die nichtlineare Kopplung zwischen Phononen und Elektronen und das dynamische Wechselspiel zwischen Elektronen und schnellen Kernen (dh die „adiabatische“ Näherung) nicht berücksichtigt. Gemeinsam mit ihren Kollegen wollen sie eine neue Theorie erarbeiten, die all diese Phänomene kollektiv berücksichtigt. Darüber hinaus planen die Forscher nun, detaillierte Charakterisierungen anderer supraleitender Hydride zu erstellen, indem sie die gleichen Berechnungswerkzeuge verwenden, die in ihrer jüngsten Studie verwendet wurden.

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