Supraleitende Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie unterhalb einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Übergangstemperatur, ihren elektrischen Widerstand verlieren. Sie wären im Prinzip ideal, um elektrische Energie über sehr weite Strecken vom Stromerzeuger zum Verbraucher zu transportieren.
Zahlreiche Energieherausforderungen würden auf einen Schlag gelöst: So könnte beispielsweise der von Windrädern an der Küste erzeugte Strom verlustfrei ins Landesinnere geleitet werden. Dies wäre jedoch nur möglich, wenn Materialien zur Verfügung stünden, die bei normalen Raum- und Umgebungstemperaturen supraleitende Eigenschaften aufweisen.
2019 wurde in vom Max-Planck-Institut in Mainz koordinierten Experimenten eine ungewöhnlich hohe Übergangstemperatur von minus 23 Grad Celsius gemessen. Die Messung erfolgte bei einem Kompressionsdruck von 170 Gigapascal – 1,7 Millionen Mal höher als der Druck der Erdatmosphäre. Das Material war ein Lanthanhydrid (LaH10+δ), eine Verbindung von Atomen des Metalls Lanthan mit Wasserstoffatomen. Der Bericht über diese Experimente und andere ähnliche Berichte bleiben höchst umstritten. Sie haben international großes Interesse an der Erforschung von Lanthanhydriden mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Strukturen geweckt.
Die neue Studie, erschienen in Naturkommunikation, greift diesen Forschungsschwerpunkt auf. Die Messdaten aus dem Jahr 2019 legten nahe, dass sich unter sehr hohen Kompressionsdrücken auch andere supraleitende Lanthanhydride bilden.
Diese Überlegungen wurden nun bestätigt: Im Hochdrucklabor des Bayerischen Forschungsinstituts für Experimentelle Geochemie & Geophysik (BGI) wurden insgesamt sieben Lanthanhydride hergestellt: die beiden bereits bekannten Verbindungen LaH10+δ und LaH3 sowie die bisher unbekannte Lanthanhydride LaH~4, LaH4+δ, La4H23, LaH6+δ und LaH9+δ.
Alle diese Verbindungen wurden aus Proben gebildet, die Lanthan und Paraffin enthielten, das eine wasserstoffreiche Mischung aus gesättigtem Kohlenwasserstoff ist. Die Proben wurden in Diamantstempelzellen sehr hohen Drücken zwischen 96 und 176 Gigapascal ausgesetzt und auf über 2.200 Grad Celsius erhitzt.
In Kooperation mit dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg und dem Center for Advanced Radiation Sources in Chicago konnten die Strukturen der neuen Verbindungen von Lanthan und Wasserstoff aufgeklärt werden. Es stellte sich heraus, dass sich Lanthanhydride mit gleicher Anordnung der Lanthanatome erheblich in ihrem Wasserstoffgehalt unterscheiden.
Mit anderen Worten, das gleiche Gerüst aus Lanthanatomen kann mit einer unterschiedlichen Anzahl von Wasserstoffatomen verknüpft werden. Dabei können die Wasserstoffatome sehr unterschiedlich angeordnet sein. Die Wissenschaftler haben gezeigt, dass eine ähnliche Strukturvielfalt auch bei Hydriden existieren kann, die statt Lanthan andere Metalle aus der Gruppe der Seltenen Erden enthalten.
Diese überraschenden Ergebnisse widerlegen eine Hypothese, die bisher in der Erforschung supraleitender Materialien eine zentrale Rolle gespielt hat: nämlich das Vorurteil, dass eine bestimmte Anzahl und Anordnung von Lanthanatomen nur eine bestimmte Konfiguration von Wasserstoffatomen zulässt.
Vor diesem Hintergrund erklärt die Koordinatorin der Studie, Prof. Dr. Dr. hc Natalia Dubrovinskaia vom Laboratorium für Kristallographie der Universität Bayreuth: „Bei unserer Suche nach Supraleitern mit höheren Übergangstemperaturen sind theoretische Modelle und darauf basierende Berechnungen erforderlich unverzichtbar. Wasserstoffhaltige Feststoffe haben sich als vielversprechende Materialien erwiesen.“
„Die Supraleitung dieser chemischen Verbindungen hängt, wie wir heute wissen, wesentlich von der Anzahl und Anordnung der Wasserstoffatome ab. Umso wichtiger ist es, dass unsere theoretischen Modelle keine falschen Annahmen einfließen lassen, die zu wasserstoffhaltigen Festkörpern mit a führen hohe Übergangstemperatur, die unentdeckt bleibt.“
Prof. Dr. Dr. hc Leonid Dubrovinsky vom BGI ergänzt: „Unsere Erkenntnisse zu Lanthanhydriden erinnern uns nachdrücklich daran, dass wir bei der Suche nach optimalen Supraleitern die Anzahl möglicher wasserstoffhaltiger Verbindungen und die Vielfalt möglicher Konfigurationen von Wasserstoffatomen nicht unterschätzen dürfen .“
Mehr Informationen:
Dominique Laniel et al, Hochdrucksynthese von sieben Lanthanhydriden mit einer signifikanten Variabilität des Wasserstoffgehalts, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34755-y