“Verbotene” Verbindung aus Cer und Wasserstoff

Wasserstoffreiche Supraleiter bei geringen Temperaturen entdeckt

Forscher aus China, den USA und Russland haben die Regeln der klassischen Chemie gebrochen und eine “verbotene” Verbindung aus Cer und Wasserstoff synthetisiert, die bei einem relativ niedrigen Druck von 1 Million Atmosphären Supraleitung zeigt – so eine Medienmitteilung aus dem Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT). Sie wollten neue wasserstoffreiche Supraleiter (HTc) bei niedrigstem Druck entdecken und berichten in einem in Nature Communications publizierten Artikel über Vorhersage und experimentelle Synthese über ein Cer-Superhydrid – CeH9 – in einer laserbeheizten Diamant-Ambosszelle. Die Entdeckung dieses Superhydrids biete eine praktische Plattform, um die konventionelle Supraleitung in wasserstoffreichen Superhydriden weiter zu untersuchen und zu verstehen.

Leider können die heute bekannten Supraleiter nur bei sehr niedrigen Temperaturen (unter -138 Grad Celsius) arbeiten, und der neueste Rekord (-13 Grad Celsius) erfordert extrem hohe Drücke von fast 2 Millionen Atmosphären. Dies schränkt den Anwendungsbereich ein und macht die verfügbaren supraleitenden Technologien teuer, da die Aufrechterhaltung ihrer relativ extremen Betriebsbedingungen eine Herausforderung darstellt. Theoretische Vorhersagen deuten auf Wasserstoff als potenziellen Kandidaten für die Raumtemperatur-Supraleitung hin. Allerdings würde die Überführung von Wasserstoff in einen supraleitenden Zustand einen enormen Druck von etwa 5 Millionen Atmosphären erfordern, verglichen mit 3,6 Millionen Atmosphären im Zentrum der Erde. So stark komprimiert, dass es sich in ein Metall verwandeln würde, aber das würde den Zweck des Betriebs unter Standardbedingungen zunichte machen.

“Die Alternative zur Metallisierung von Wasserstoff ist die Synthese von sogenannten “verbotenen” Verbindungen eines Elements – Lanthan, Schwefel, Uran, Cer, etc. – und Wasserstoff, mit mehr Atomen als die klassische Chemie zulässt. So könnte man normalerweise von einer Substanz mit einer Formel wie CeH2 oder CeH3 sprechen. Aber unser Cer-Superhydrid – CeH9 — packt deutlich mehr Wasserstoff und verleiht ihm spannende Eigenschaften”, erklärte ein Autor der Studie, Professor Artem R. Oganov von Skoltech und dem Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT). Da Materialwissenschaftler die Supraleitung bei höheren Temperaturen und niedrigeren Drücken verfolgen, kann der eine auf Kosten des anderen gehen. “Während Cer-Superhydrid erst nach dem Abkühlen auf -200 Grad Celsius supraleitend wird, zeichnet sich dieses Material dadurch aus, dass es bei einem Druck von 1 Million (1 Mpa) Atmosphären stabil ist – weniger als das, was die zuvor synthetisierten Schwefel- und Lanthan-Superhydride benötigen. Andererseits ist Uransuperhydrid bei noch niedrigerem Druck stabil, benötigt aber deutlich mehr Kühlung”, fügte Mitautor Ivan Kruglov hinzu, Forscher am MIPT und am Dukhov Research Institute of Automatics.

Die Metallisierung von Wasserstoff unter hohem Druck war in den vergangenen Jahrzehnten vor allem aufgrund der Erwartungen an die Raumtemperatur-Supraleitung ein Thema von großem wissenschaftlichen Interesse. Es wird erwartet, dass Wasserstoff unter hohem Druck über 400 GPa (Gigapascal) metallisch wird. Aber solche Drücke zu erreichen und die Supraleitung zu überprüfen, ist eine große Herausforderung in Diamantambosszellen-(DAC)-Experimenten, hauptsächlich aufgrund von Diamantfehlern und dem Fehlen einer zuverlässigen Sonde auf den winzigen Probenvolumina bei solchen hohen Drücken. Alternativ kann auch erwartet werden, dass wasserstoffreiche Hydride eine hohe elektrische Supraleitung erreichen, vielleicht bei einem viel niedrigeren Druck als der für metallischen Wasserstoff erforderliche.

Wasserstoffreiche Superhydride gelten als vielversprechende Hochtemperatur-Supraleiter (HTc). Jüngste Experimente entdeckten Superhydride bei sehr hohen Drücken, z.B. FeH5 bei 130 GPa und LaH10 bei 170 GPa. Mit der Motivation, neue wasserstoffreiche HTc bei niedrigstem Druck zu entdecken, berichten wir hier über die Vorhersage und experimentelle Synthese von Cer-Superhydrid CeH9 bei 80-100 GPa in der laserbeheizten Diamant-Ambosszelle in Verbindung mit Synchrotron-Röntgendiffraktion. Ab-Iinitio-Berechnungen wurden durchgeführt, um die detaillierte Chemie des Ce-H-Systems zu bewerten und die Struktur, Stabilität und Supraleitung von CeH9 zu verstehen. CeH9 kristallisiert in einer P63/mmc-Clathratstruktur mit einem sehr dichten dreidimensionalen atomaren Wasserstoffsubgitter bei 100 GPa. Diese Ergebnisse werfen ein signifikantes Licht auf die Suche nach Superhydriden in enger Ähnlichkeit mit atomarem Wasserstoff innerhalb eines möglichen Druckbereichs. Die Entdeckung von Superhydrid CeH9 bietet eine praktische Plattform, um die konventionelle Supraleitung in wasserstoffreichen Superhydriden weiter zu untersuchen und zu verstehen.

Folgt: Hoffnung, Raumtemperatur-Supraleitung in wasserstoffreichen Systemen unter hohem Druck zu erreichen