Neues Material erleichtert Suche nach Supraleitung bei Raumtemperatur

Wissenschaftler der Universität Jilin, des Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research und von Skoltech haben Lanthan-Cer-Polyhydrid synthetisiert, ein Material, das Studien zur Supraleitung bei Raumtemperatur erleichtern soll. Es stellt einen Kompromiss zwischen den Polyhydriden von Lanthan und Cer dar, was den Kühl- und Druckbedarf angeht. Dies ermöglicht einfachere Experimente, die Wissenschaftler eines Tages möglicherweise zu Verbindungen führen könnten, die bei Umgebungsbedingungen Strom ohne Widerstand leiten – ein technischer Traum, an dem viele Jahre gearbeitet haben. Die Studie wurde veröffentlicht in Naturkommunikation.

Eine der faszinierendsten ungelösten Fragen der modernen Physik lautet: Können wir ein Material herstellen, das bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck Strom ohne Widerstand leitet (Supraleiter)? Ein solcher Supraleiter würde Stromnetze mit beispielloser Effizienz, ultraschnelle Mikrochips und Elektromagnete ermöglichen, die so stark sind, dass sie Züge schweben lassen oder Fusionsreaktoren steuern könnten.

Bei ihrer Suche erforschen Wissenschaftler mehrere Materialklassen, indem sie die Temperatur, bei der sie supraleiten, langsam erhöhen und den Druck verringern, den sie benötigen, um stabil zu bleiben. Eine dieser Materialgruppen sind Polyhydride – Verbindungen mit extrem hohem Wasserstoffgehalt. Bei -23 °C ist der aktuelle Champion für Hochtemperatursupraleitung ein Lanthanpolyhydrid mit der Formel LaH10. Der Kompromiss: Es ist ein Druck von 1,5 Millionen Atmosphären erforderlich. Am anderen Ende des Spektrums sind Cuprate eine Klasse von Materialien, die unter normalem Atmosphärendruck supraleitend sind, aber kühlere Temperaturen erfordern – nicht mehr als -140°.

Nun ist es Skoltech-Forschern und ihren chinesischen Kollegen gelungen, die Druckanforderungen von Polyhydrid-Supraleitern zu lockern. Zu diesem Zweck optimierte das Team das Lanthan-Wasserstoff-System, indem es der Mischung etwas Cer hinzufügte. Physikalisch gesehen bedeutete das, eine Lanthan-Cer-Legierung herzustellen und diese in einer Hochdruckzelle mit Ammoniakboran zu erhitzen, einer Substanz, die bei ihrer Zersetzung viel Wasserstoff freisetzt.

Lanthan und Cer sind zwei sehr ähnliche Atome, die analoge Verbindungen bilden und oft gegeneinander ausgetauscht werden können. Während für die Polyhydride LaH10 und CeH10 sowie CeH9 über Supraleitung berichtet wurde, wird die entsprechende LaH9-Phase von Experimentatoren selten gesehen. Die Wissenschaftler beschlossen, die Hypothese zu überprüfen: Es sollte möglich sein, LaH9 durch die Ergänzung mit einem entsprechend gewählten Zusatzstoff wie Cer zu stabilisieren, sofern dadurch die Struktur des ursprünglichen Materials verändert wird. Und es hat funktioniert.

„Sehr hoher Druck zwingt reines Lanthan und Wasserstoff in die LaH10-Struktur. Wenn man aber etwa jedes vierte Lanthanatom durch Cer ersetzt, reorganisiert dies die Struktur in die Anordnung, die man in CeH9 sieht. In diesem Sinne verändert die Einführung des dritten Elements die Struktur.“ Struktur, die das reine Material sonst angenommen hätte. Und dieses Additiv trägt tatsächlich zur Stabilität bei: Verglichen mit den 1,5 Millionen Atmosphären, die man für LaH10 benötigt, ist unser Lanthan-Cer-Polyhydrid bereits bei 1 Million Atmosphären stabil. Das ist ungefähr der gleiche Druck wie Cer Polyhydride erfordern, doch diese weisen Supraleitung nur unter -158 °C auf, während der neue Supraleiter bei -97 °C funktioniert. Es ist also ein guter Kompromiss, aber was noch wichtiger ist, es ist eine Bestätigung, dass unsere Argumentation richtig ist“, sagt Co-Autor der Studie, Professor Artem R. Oganov von Skoltech kommentiert.

Oganov arbeitet in einem Bereich, in dem noch vor nicht allzu langer Zeit viele daran zweifelten, dass die sogenannte konventionelle Supraleitung – wie die in Polyhydriden – jemals bei Temperaturen über -230 °C oder so existieren könnte. Oganov legt besonderen Wert darauf, die Regeln dafür zu testen und zu verfeinern ermöglichen es, Supraleiter zuverlässig und systematisch zu entdecken und zu verbessern. Auch wenn er glaubt, dass Polyhydride im Allgemeinen bei atmosphärischem Druck kaum supraleitend werden können (was eine notwendige Voraussetzung für groß angelegte Anwendungen wie Magnetschwebebahnen oder verlustfreie Stromnetze ist), liefert ihre Studie seiner Meinung nach Einblicke in die Supraleitung, die erforderlich sind Mit anderen Materialien kommen wir diesem Ziel näher.

„Polyhydride sind ein Eldorado für die grundlegende Supraleiterforschung unter Druck“, sagt Oganov. „Und durch die Synthese unserer neuen Verbindung haben wir die für diese Aufgabe nützlichen Werkzeuge und Tricks sowohl getestet als auch verfeinert und ein praktisches Material für weitere Studien bereitgestellt.“

„Die Arbeit ist auch für zwei Schlüsselexperimente interessant: Sie zeigt die mögliche Anisotropie des oberen kritischen Feldes für Hydride, also die Abhängigkeit der kritischen Temperatur von der Richtung des Magnetfelds. Und sie zeigt das auch bei abnehmendem Druck.“ „In Polyhydriden manifestiert sich eine Pseudogap-Phase“, sagt Co-Autor der Studie und Skoltech Ph.D. sagte Alumnus Dmitrii Semenok und fügte hinzu, dass beide Eigenschaften charakteristisch für Kuprat-Supraleiter seien. „Bei näherer Betrachtung erweisen sich Polyhydride trotz der unterschiedlichen Mechanismen der Supraleitung als sehr ähnlich zu Cupraten.“

Auf die Frage nach anderen vielversprechenden Verbindungen, zu denen die aktuelle Polyhydridforschung führt, antworteten die Forscher, dass Hydride und Borhydride von Calcium, Yttrium, Lanthan und Magnesium derzeit offenbar Forschungsaufmerksamkeit verdienen.