Supraleitung bei Raumtemperatur könnte möglich werden

Durch eng beieinander liegende Wasserstoffatome

Ein internationales Forscherteam hat am 03.02.2020 auf der Internetseite des National Laboratory Oak Ridge, Tennesee, veröffentlicht, dass Wasserstoffatome in einem Metallhydrid-Material viel enger beieinander liegen als jahrzehntelang vorhergesagt – eine Eigenschaft, die möglicherweise bei oder nahe der Raumtemperatur Supraleitung erleichtern könnte. Supraleiter übertragen Elektrizität ohne jeglichen Energieverlust aufgrund von Widerstand und würden die Energieeffizienz in einem breiten Spektrum von Verbraucher- und Industrieanwendungen revolutionieren.

Die Wissenschaftler führten Neutronenstreuexperimente an Proben von Zirkonium-Vanadium-Hydrid bei atmosphärischem Druck und bei Temperaturen von -450 Grad Fahrenheit (5 K) bis zu -10 Grad Fahrenheit (250 K) durch – viel höher als die Temperaturen, bei denen unter diesen Bedingungen Supraleitung zu erwarten ist.

Ihre Ergebnisse, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, beschreiben die ersten Beobachtungen solch kleiner Wasserstoff-Wasserstoff-Atomabstände im Metallhydrid, die nur 1,6 Angström betragen, im Vergleich zu den für diese Metalle vorhergesagten 2,1 Angström-Abständen.

Diese interatomare Anordnung ist besonders vielversprechend, da der in den Metallen enthaltene Wasserstoff ihre elektronischen Eigenschaften beeinflusst. Es wurde festgestellt, dass andere Materialien mit ähnlichen Wasserstoffanordnungen die Supraleitung beginnen, aber nur bei sehr hohen Drücken.

Zirkonium-Vanadium-Hydrid-Atomstruktur bei Fast-Umgebungsbedingungen, die mit Hilfe der Neutronen-Schwingungsspektroskopie und des Titan-Supercomputers im Oak Ridge National Laboratory bestimmt wurde. Das Gitter besteht aus Vanadiumatomen (in Gold) und Zirkoniumatomen (in Weiß), die Wasserstoffatome (in Rot) einschließen. Es werden drei Wasserstoffatome gezeigt, die bei überraschend kleinen Wasserstoff-Wasserstoff-Atomabständen von nur 1,6 Angström miteinander wechselwirken. Diese kleineren Abstände zwischen den Atomen könnten es ermöglichen, deutlich mehr Wasserstoff in das Material zu packen, bis es mit der Supraleitung beginnt – Bild © Jill Hemman/Oak Ridge National Laboratory, US-Energieministerium

 

Das Forschungsteam bestand aus Wissenschaftlern der Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt), der Universität Zürich, der Polnischen Akademie der Wissenschaften, der University of Illinois Chicago und des ORNL.

Der derzeit höchsttemperaturbeständige Supraleiter, Lanthandecahydrid, kann bei etwa 8 Grad Fahrenheit mit der Supraleitung beginnen, erfordert aber leider auch enorme Drücke von bis zu 22 Millionen Pfund pro Quadratzoll, was fast dem 1.400-fachen des Drucks entspricht, den das Wasser an der tiefsten Stelle des tiefsten Ozeans der Erde ausübt. “Seit Jahrzehnten ist es ein ‘heiliger Gral’ für Wissenschaftler, ein Material zu finden oder herzustellen, das bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck supraleitend ist, so dass Ingenieure es in konventionelle elektrische Systeme und Geräte einbauen können”, sagte Russell J. Hemley, Professor und Inhaber des Distinguished Chair in den Naturwissenschaften an der University of Illinois in Chicago.

Die Forscher hatten die Wasserstoff-Wechselwirkungen in dem gut untersuchten Metallhydrid mit hochauflösender, unelastischer Neutronenschwingungsspektroskopie an der VISION-Strahlführung an der Spallationsneutronenquelle des ORNL untersucht. Das resultierende spektrale Signal, einschließlich eines markanten Peaks bei etwa 50 Millielektronenvolt, stimmte jedoch nicht mit den Vorhersagen der Modelle überein.

Der Durchbruch im Verständnis erfolgte, nachdem das Team mit der Oak Ridge Leadership Computing Facility begann, um eine Strategie zur Auswertung der Daten zu entwickeln. Die OLCF war damals die Heimat des Titan, eines der schnellsten Supercomputer der Welt, ein Cray XK7-System, das mit einer Geschwindigkeit von bis zu 27 Petaflops (27 Billiarden Gleitkommaoperationen pro Sekunde) arbeitete.

“Das ORNL ist der einzige Ort auf der Welt, der sowohl über eine weltweit führende Neutronenquelle als auch über einen der schnellsten Supercomputer der Welt verfügt”, sagte Timmy Ramirez-Cuesta, Teamleiter für das chemische Spektroskopie-Team des ORNL. “Die Kombination der Fähigkeiten dieser Einrichtungen ermöglichte es uns, die Neutronenspektroskopiedaten zusammenzustellen und einen Weg zu finden, den Ursprung des anomalen Signals zu berechnen, auf das wir gestoßen sind. Dazu war ein Ensemble von 3.200 Einzelsimulationen erforderlich, eine gewaltige Aufgabe, die fast eine Woche lang etwa 17% der immensen Verarbeitungskapazität von Titan beanspruchte – etwas, wofür ein herkömmlicher Computer zehn bis zwanzig Jahre gebraucht hätte.

Diese Computersimulationen und zusätzliche Experimente, die alternative Erklärungen ausschließen, bewiesen schlüssig, dass die unerwartete spektrale Intensität nur dann auftritt, wenn die Abstände zwischen den Wasserstoffatomen näher als 2,0 Angström sind, was bei Umgebungsdruck und -temperatur in einem Metallhydrid nie beobachtet wurde.

Die Ergebnisse des Teams stellen die erste bekannte Ausnahme vom Switendick-Kriterium in einer Bimetall-Legierung dar, eine Regel, die für stabile Hydride bei Umgebungstemperatur und -druck gilt, dass der Wasserstoff-Wasserstoff-Abstand nie weniger als 2,1 Angström beträgt.

“Eine wichtige Frage ist, ob der beobachtete Effekt speziell auf Zirkonium-Vanadium-Hydrid beschränkt ist oder nicht”, sagt Andreas Borgschulte, Gruppenleiter für Wasserstoffspektroskopie an der Empa. “Unsere Berechnungen für das Material – unter Ausschluss der Switendick-Grenze – konnten den Peak reproduzieren, was die Annahme unterstützt, dass in Vanadiumhydrid Wasserstoff-Wasserstoff-Paare mit Abständen unter 2,1 Angström auftreten.

In zukünftigen Experimenten planen die Forscher, Zirkonium-Vanadium-Hydrid bei verschiedenen Drücken mehr Wasserstoff zuzusetzen, um das Potenzial des Materials für die elektrische Leitfähigkeit zu bewerten. Der Gipfel-Supercomputer des ORNL – der mit 200 Petaflops mehr als 7-mal schneller ist als Titan und seit Juni 2018 auf Platz 1 der TOP500-Liste, einer halbjährlichen Rangliste der schnellsten Rechensysteme der Welt, steht – könnte die zusätzliche Rechenleistung liefern, die für die Analyse dieser neuen Experimente benötigt wird.

Die Forschung wurde vom Wissenschaftsbüro des Energieministeriums und der Nationalen Behörde für nukleare Sicherheit, dem Nationalfonds, dem Rutherford Appleton Labor, der Empa und dem Schweizerischen Nationalfonds, der Universität Zürich und dem Nationalen Zentrum für Forschung und Entwicklung in Warschau, Polen, unterstützt. oClimax Neutronendaten-Software, Teil des ICEMAN-Projekts, das vom Laboratory Directed Research and Development Program am ORNL finanziert wurde, wurde zur Analyse und Interpretation der inelastischen Neutronenstreuspektren verwendet.

SNG und OLCF sind das DOE-Büro der wissenschaftlichen Nutzereinrichtungen. Das ORNL wird von UT-Battelle LLC für das DOE Office of Science verwaltet, dem größten Unterstützer der Grundlagenforschung in den physikalischen Wissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Wissenschaftsbüro des DOE arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen unter https://energy.gov/science.

Der Forschungsartikel in PNAS: “Nachweis unelastischer Neutronenstreuung für anomale H-H-Abstände in Metallhydriden”

Bedeutung

Wasserstoff in Metallen verändert die elektronische Struktur solcher Materialien und damit die physikalischen und chemischen Eigenschaften. In konventionellen Übergangsmetallhydriden, die atomaren Wasserstoff enthalten, liegen die minimalen Wasserstoff-Wasserstoff-Abstände unter Umgebungsbedingungen bei etwa 2,1 Å (Switendick-Kriterium). Obwohl Hinweise auf H-H-Abstände unter 2,1 Å in AB2-Legierungen berichtet wurden, sind die Beweise nicht schlüssig, da die Wasserstoffpositionen mit Hilfe von Beugungstechniken schwer zu lokalisieren sind. Hier wird die unelastische Neutronenstreuung als lokale Sonde der Wasserstoffwechselwirkungen zusammen mit der elektronischen Strukturmodellierung eines gut untersuchten und prototypischen Metallhydrids ZrV2Hx verwendet. Die Ergebnisse liefern Hinweise auf anomale Wasserstoff-Wasserstoff-Abstände von nur 1,6 Å. Die Ergebnisse liefern Erkenntnisse, die zur Schaffung von Materialien mit Eigenschaften wie sehr hohen Tc Supraleitung und anderes Quantenverhalten.

Abstrakt

Wasserstoffhaltige Materialien sind sowohl von grundlegendem als auch von technologischem Interesse. Eine offene Frage für beide ist die Menge an Wasserstoff, die in solche Materialien eingebaut werden kann, da dies ihre physikalischen Eigenschaften wie die elektronische und kristalline Struktur dramatisch bestimmt. Die Anzahl der Wasserstoffatome in einem Metall wird durch die Wechselwirkung von Wasserstoff mit dem Metall und durch die Wasserstoff-Wasserstoff-Wechselwirkungen gesteuert. Es ist gut bekannt, dass die minimal möglichen Wasserstoff-Wasserstoff-Abstände in konventionellen Metallhydriden unter Umgebungsbedingungen bei etwa 2,1 Å liegen, obwohl bei Materialien unter hohem Druck engere H-H-Abstände möglich sind. Wir präsentieren unelastische Neutronenstreuungsmessungen an Wasserstoff in ZrV2Hx, die nicht erwartete Streuung bei niedrigem Energietransfer zeigen. Die Analyse der Spektren zeigt, dass diese spektralen Merkmale zum Teil von Wasserstoffschwingungen herrühren, die von benachbartem Wasserstoff in Abständen von nur 1,6 Å begrenzt werden. Diese Abstände sind viel kleiner als die, die in verwandten Hydriden gefunden werden, und verletzen damit das so genannte Switendick-Kriterium. Die Ergebnisse haben Auswirkungen auf das Design und die Herstellung von Hydriden mit zusätzlichen Eigenschaften und Anwendungen.

->Quellen: