Anlage zur Untersuchung supraleitender Materialien bei hohen Drücken
Amerikanische Physiker haben Supraleitung in kohlenstoffhaltigem Schwefelwasserstoff bei Raumtemperatur entdeckt. Die Supraleitfähigkeit eines festen Materials auf Basis von Schwefelwasserstoff H3S und Methan CH4 wird bis zu 15 Grad Celsius aufrechterhalten, aber der Effekt wird bei Drücken von mehr als 1,4 Millionen Atmosphären beobachtet. Ein Supraleiter ist eine feste Einschlussphase mit einer maximalen kritischen Temperatur bei einem Druck von 2,67 Millionen Atmosphären, schreiben Wissenschaftler in Nature.
Traditionell gilt Supraleitung – die Fähigkeit, elektrischen Strom widerstandslos zu leiten – als Materialeigenschaft, die nur bei sehr niedrigen Temperaturen beobachtet werden kann. Die Supraleiter der ersten Generation verloren ihre Supraleitung bereits bei Temperaturen von nur 30 Grad über dem absoluten Nullpunkt (dies sind nicht mehr als -240 Grad Celsius). In den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts wurden die ersten "Hochtemperatur-Supraleiter" entdeckt - keramische Materialien auf Basis von Kupfermischoxid. Sie verlieren bereits bei deutlich höheren Temperaturen, aber noch deutlich unter Raumtemperatur an Supraleitfähigkeit: So war beispielsweise das Kuprat der Zusammensetzung HgBa2Ca2Cu3O8 + x mit einer Sprungtemperatur von −109 Grad Celsius zwei Jahrzehnte lang der Rekordhalter für Hochtemperatur Supraleitung.
Mitte der 2010er Jahre wurde ein grundlegend neuer Typ von Hochtemperatur-Supraleitern entdeckt: Es stellte sich heraus, dass Hydride vieler Elemente bei extrem hohen Drücken - mehr als 1 Million Atmosphären - bis zu sehr hohen Temperaturen in einem supraleitenden Zustand bleiben. So war für mehrere Jahre das Material mit der höchsten kritischen Temperatur Schwefelwasserstoff der Zusammensetzung H3S, bis zuletzt der bestätigte Übergangsrekord – nur −23 Grad Celsius – gehörte dem Lanthanhydrid LaH10. Spuren von Supraleitung wurden auch bei -13 Grad gefunden.
Amerikanische Physiker unter der Leitung von Ranga P. Dias von der University of Rochester synthetisierten erstmals einen Hochtemperatur-Supraleiter, der seine Eigenschaften bis auf Raumtemperatur beibehält. Das resultierende Material ist ein Kristall auf Basis von Schwefelwasserstoff und Methan mit einem erhöhten Wasserstoffgehalt. Die Autoren der Arbeit haben die maximale kritische Temperatur dafür bei einem Druck von 2,67 Millionen Atmosphären aufgezeichnet - sie betrug 287,7 Kelvin (das sind etwa 15 Grad Celsius). Um supraleitenden kohlenstoffhaltigen Schwefelwasserstoff zu gewinnen und zu analysieren, verwendeten die Wissenschaftler eine Diamantambosszelle - eine Probenkammer, die zwischen die Kanten zweier Diamanten eingespannt wird und es ermöglicht, feste Materialien bei Drücken bis zu mehreren Millionen Atmosphären zu beobachten.
Schema der Synthese und Analyse eines supraleitenden Materials in einer Zelle mit einem Diamantamboss
Es ist bekannt, dass sowohl Methan als auch Schwefelwasserstoff bei hohen Drücken mit Wasserstoff stabile Verbindungen bilden können, in denen das Hydrid als Matrix wirkt und Wasserstoffmoleküle darin als Einschlüsse wirken. Nach der Migdal-Eliashberg-Theorie gelten solche Materialien aufgrund der starken Elektron-Phonon-Bindung, die zur Bildung von Cooper-Paaren führt, als vielversprechende Kandidaten für Supraleiter bei hohen Drücken. Beim Komprimieren kollabiert Methan selbst bei Drücken über 5 Millionen Atmosphären, ohne einen supraleitenden Zustand zu erreichen, aber dieses Problem wurde im ternären System CH4-H2S-H2 gelöst. Als Ergebnis konnten die Wissenschaftler eine stabile Verbindung mit einer höheren kritischen Temperatur als binäres Schwefelhydrid erhalten.
Kristallstruktur der supraleitenden Phase des H2S-H2-Einschlusses. Im ternären System wird ein Teil der Schwefelwasserstoffmoleküle in dieser Struktur durch Methanmoleküle ersetzt
Das benötigte supraleitende Material wurde in einer photochemischen Reaktion aus einem Gemisch aus Wasserstoff, Schwefelwasserstoff und Methan synthetisiert. Selbst bei relativ niedrigen Drücken bilden die Methan- und Schwefelwasserstoffmoleküle in einer solchen Mischung aufgrund der Van-der-Waals-Wechselwirkung Ketten, die bei weiterer Kompression eine Wirt-Gast-Struktur bilden. Bei Drücken von mehreren Millionen Atmosphären bilden Methan- und Schwefelwasserstoffblöcke (da sie praktisch gleich groß sind) eine einzige Matrix, in der sie äquivalente Positionen einnehmen, und in den Poren dieser Matrix befinden sich tatsächlich Wasserstoffmoleküle.
Links: Widerstand gegen Temperatur für S-C-H-Proben bei unterschiedlichen Drücken; Mitte: Mikrophotographien von Supraleiterproben; rechts: Druckabhängigkeit der kritischen Temperatur der Supraleitung
Die Wissenschaftler untersuchten die Phasenzusammensetzung und Struktur der erhaltenen Verbindungen mittels Röntgenanalyse und Raman-Spektroskopie und um die kritischen Parameter der Supraleitung zu analysieren, maßen sie, wie sich der elektrische Widerstand und die magnetische Suszeptibilität der resultierenden Substanz bei unterschiedlichen Drücken in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. Es stellte sich heraus, dass das optimale Verhältnis von Methan, Schwefelwasserstoff und Wasserstoff im Material streng stöchiometrisch 1: 1: 1 ist.
Die höchste Übergangstemperatur - 287,7 Kelvin (das sind etwa 15 Grad Celsius) - erwies sich bei einem Druck von 2,67 Millionen Atmosphären als charakteristisch für die Phase, aber der supraleitende Zustand für eine solche Verbindung bleibt in einem ziemlich weiten Druckbereich: von 1,4 bis 2,8 Millionen Atmosphären. Mit Zunahme des äußeren Magnetfeldes sinkt die kritische Temperatur der Supraleitung und sinkt bei einem Feld von 9 Tesla auf -5 Grad Celsius. Darüber hinaus sollte nach theoretischen Modellen die Supraleitfähigkeit dieses Materials bis zu 62 Tesla aufrechterhalten werden.
Nach Ansicht der Autoren der Arbeit ist durch die richtige Wahl der Zusammensetzung der ternären Hydride eine weitere Erhöhung der kritischen Temperatur möglich. Die größte Herausforderung besteht heute jedoch darin, den Druck zu reduzieren, der für die Synthese und Verwendung dieser Materialien erforderlich ist.
Eine noch höhere kritische Supraleitfähigkeitstemperatur wird theoretisch für ein anderes ternäres Hydrid vorhergesagt. Den Simulationsdaten zufolge soll die Supraleitung in der Li2MgH16-Verbindung bis zu 200 Grad Celsius aufrechterhalten werden. Dieser Zustand wird bei einem Druck von etwa 2,5 Millionen Atmosphären erwartet.
