Seltsamer Metallzustand in wasserstoffreicher Lanthanverbindung unter Druck entdeckt

Forscher von Skoltech, der Jilin University und Beijing HPSTAR in China und ihre deutschen Kollegen haben einen neuen Typ wasserstoffreicher Supraleiter synthetisiert und untersucht. Technisch als A15-Typ Lanthansuperhydrid bezeichnet, mit der Formel La4H23, zeigt es Supraleitung unter minus 168 Grad Celsius bei einem Druck von 1,2 Millionen Atmosphären. Die Forschungsergebnisse waren veröffentlicht im Nationale Wissenschaftsüberprüfung.

Polyhydride sind eine neuartige Verbindungsklasse, die bei etwa 1 Million Mal dem normalen Atmosphärendruck auf der Erde synthetisiert wird. Sie können einzigartige supraleitende Eigenschaften mit rekordhohen kritischen Temperaturen von bis zu -23 °C in Lanthandekahydrid LaH10, kritischen Magnetfeldern von bis zu 300 Tesla und kritischen Stromdichten aufweisen.

Auch im Vergleich zu anderen ähnlichen Hydriden verhält sich das neu entdeckte La4H23 ungewöhnlich: Es hat in einem bestimmten Druckbereich einen negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes. Anders als bei gewöhnlichen Metallen nimmt sein elektrischer Widerstand also bei sinkender Temperatur nicht ab, sondern steigt an, wie es bei Halbleitern und vielen unkonventionellen Supraleitern wie Kupraten der Fall ist.

„Anfangs wurden Hydride des Strukturtyps A15 im Europium-Wasserstoff-System entdeckt, dann wurden sie in den Barium-Wasserstoff- und Lutetium-Wasserstoff-Systemen gefunden. Im letzteren bildet sich das supraleitende Hydrid La4H23. Wir führten Berechnungen der thermodynamischen Stabilität dieser Strukturen nach dem Grundprinzip durch und fanden heraus, dass die gleiche Verbindung im Lanthan-Wasserstoff-System existieren sollte. Darüber hinaus muss es eine noch höhere kritische Temperatur der Supraleitung haben“, erklärte einer der Hauptautoren des Papiers, der Skoltech-Forschungsingenieur Grigoriy Shutov, auch Doktorand der Computer- und Datenwissenschaft und des Ingenieurwesens, die Motivation hinter der Studie.

Das synthetisierte Lanthanhydrid La4H23 weist weitere ungewöhnliche Eigenschaften auf. Typischerweise verbreitern sich supraleitende Übergänge in Magnetfeldern erheblich. Das Magnetfeld erzeugt Inhomogenitäten in der Konzentration der Cooper-Paare im Volumen des Supraleiters. Infolgedessen gehen einige Bereiche der Probe später in den supraleitenden Zustand über als andere, und der Übergang scheint sich auf der Temperaturskala „auszudehnen“. Dies wird bei so bekannten Materialien wie Magnesiumdiborid, Yttrium-Barium-Kupferoxid, Wismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid und anderen beobachtet.

In Polyhydriden hingegen beobachtet man kaum eine Verbreiterung der supraleitenden Übergänge, was in der experimentellen Praxis sehr praktisch ist. Dies liegt daran, dass magnetische Wirbel, auch Abrikosov-Wirbel genannt, starr an bestehende strukturelle Inhomogenitäten innerhalb eines Polyhydrids gebunden sind und keine zusätzlichen Störungen einbringen. Anders verhält es sich beim neuen Lanthan-Superhydrid: Es weist eine unerwartete Verengung der supraleitenden Übergänge auf.

Einer der Hauptautoren der Studie, Dmitrii Semenok von HPSTAR, der einen Doktortitel in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik von Skoltech besitzt, kommentierte: „Dieses ungewöhnliche Verhalten brachte uns dazu, über starke gepulste Magnetfelder nachzudenken. Wir entnahmen eine Probe in einer Diamantstempelzelle, die von unseren Kollegen der Jilin-Universität vorbereitet wurde, und unsere Neugier führte zu einer weiteren bemerkenswerten Entdeckung.“

In starken gepulsten Magnetfeldern bis zu 68 Tesla zeigte das neu synthetisierte Lanthansuperhydrid einen signifikanten negativen Magnetowiderstand, was auf die Existenz eines anomalen metallischen Zustands hindeutet. Normalerweise haben Metalle einen positiven Magnetowiderstand, da Elektronen in einem Magnetfeld längeren Bahnen folgen.

Negativer Magnetowiderstand ist sehr selten, wird aber häufig bei Kupraten und anderen unkonventionellen Supraleitern in ihrer sogenannten Pseudogap- oder Strange-Metal-Phase beobachtet. In dieser Phase werden erhebliche supraleitende Schwankungen beobachtet, die zwar nicht ausreichen, um Supraleitung im gesamten Material zu erzeugen, die magnetischen und Transporteigenschaften des Materials jedoch spürbar beeinträchtigen.

„Wir sind noch weit davon entfernt, alle Prozesse zu verstehen, die die Elektronentransporteigenschaften von Superhydriden bestimmen. Im Laufe der Jahre haben wir immer mehr Hinweise darauf gesehen, dass Hydride trotz der unterschiedlichen Mechanismen der Elektron-Elektron-Paarung in vielerlei Hinsicht unkonventionellen Supraleitern wie Kupraten oder Pniktiden ähneln“, fügte Semenok hinzu.

Hydrid-Supraleiter erweisen sich als eine Art Brücke zwischen den verschiedenen Supraleiterklassen und weisen gleichzeitig die Eigenschaften konventioneller und unkonventioneller auf. Die Forscher planen, verschiedene Superhydride in starken Magnetfeldern weiter zu untersuchen und sich dabei auf ihr Verhalten als Nicht-Fermi-Flüssigkeit zu konzentrieren.