Eine Gruppe von Physikern unter Beteiligung russischer Wissenschaftler hat die Supraleitfähigkeit von Latanhydrid LaH10 bei einer Temperatur von 250 Kelvin (−23 Grad Celsius) und einem Druck von 1,7 Millionen Atmosphären bestätigt. Diesmal sahen die Forscher nicht nur ein Absinken des Probenwiderstands unter die kritische Temperatur, sondern bestätigten auch den Isotopeneffekt und die Abhängigkeit der kritischen Temperatur von der magnetischen Feldstärke. Außerdem haben Physiker die Kristallstruktur des Rekordsupraleiters ermittelt. Der Artikel wurde in Nature veröffentlicht, ein Vorabdruck der Arbeit ist auf der Website arXiv.org veröffentlicht.
Obwohl das Phänomen der Supraleitung vor mehr als hundert Jahren entdeckt wurde, haben Physiker noch wenig Verständnis dafür, wie es funktioniert. Die "Standard"-Theorie der Supraleitung ist die Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-Theorie, bei der die supraleitende Phase durch die Kondensation von Cooper-Paaren entsteht. Diese Theorie erklärt gut die Tieftemperatureigenschaften von Metallen und einigen anderen Verbindungen, aber sie kommt mit den meisten Supraleitern mit einer kritischen Temperatur über 30 Kelvin nicht gut zurecht. Daher haben Physiker neben der BCS-Theorie mehrere Dutzend weitere Theorien der Supraleitung entwickelt, die im Allgemeinen in zwei große Gruppen unterteilt werden – Theorien mit schwacher Kopplung und Theorien mit Zwischenschichtkopplung. Es gibt sogar eine spezielle Zeitschrift, in der solche Theorien veröffentlicht werden (Journal of Supraconductivity and Novel Magnetism). Es stimmt, die Leistung der meisten dieser Theorien ist fraglich.
Zu den Theorien der Hochtemperatur-Supraleitung gehört auch die Migdal-Eliashberg-Theorie (Migdal-Eliashberg-Theorie) – eigentlich eine modifizierte BCS-Theorie, die auf der Bildung von Cooper-Paaren durch Phononenaustausch beruht. Diese Theorie sagt voraus, dass für eine ausreichend hohe Phononenenergie und eine ausreichend starke Kopplung zwischen Phononen und Elektronen die kritische Temperatur eines Supraleiters sehr hoch sein kann. Der Druck, bei dem die supraleitende Phase auftritt, beträgt dabei in der Regel mehrere Millionen Atmosphären und die Kristallstruktur des Materials ähnelt Clathraten.
Insbesondere sagte Eliashbergs Theorie die Supraleitfähigkeit von Schwefelwasserstoff H3S bei einer Temperatur von 203 Kelvin (-70 Grad Celsius) und einem Druck von 1,5 Millionen Atmosphären voraus, was sich später in der Praxis bestätigte. Darüber hinaus haben Physiker mit numerischen Berechnungen im Rahmen dieser Theorie in den letzten zehn Jahren mehrere weitere Verbindungen mit kritischen Temperaturen über 200 Kelvin gefunden: Calciumhydrid CaH6 (T c ~ 235 Kelvin, P ~ 1,5 Millionen Atmosphären), Lanthan Hydrid LaH10 (T c ~ 280 Kelvin, P ~ 2 Millionen Atmosphären) und Yttriumhydrid YH10 (T c ~ 320 Kelvin, P ~ 2,5 Millionen Atmosphären). Die letzten beiden Verbindungen könnten möglicherweise die lang erwarteten Raumsupraleiter sein.
Im August letzten Jahres bestätigten zwei Physikergruppen auf einmal [1, 2] diese Vorhersagen in einem direkten Experiment: Beide Gruppen sahen Anzeichen einer Supraleitung des Lanthanhydrids LaH10 bei einer Temperatur von 250 Kelvin und einem Druck von 1,7 Millionen Atmosphären. Diese Werte sind etwas niedriger als die Vorhersagen der Theorie, stimmen aber der Reihe nach damit überein. Leider hatten die Wissenschaftler damals keine Zeit, genauere Messungen vorzunehmen. Im Grunde sahen Physiker nur einen starken Abfall des Widerstands der Probe, einhergehend mit einer Abkühlung unter die kritische Temperatur (mehr über die Arbeit der Wissenschaftler lesen Sie in unserem Newsletter). Nun kehrte eine Gruppe von Forschern um Mikhail Eremts zu Messungen mit den erhaltenen Proben zurück und bestätigte andere charakteristische Effekte, die die supraleitende Phase begleiten - den Isotopeneffekt und den Meissner-Effekt. Außerdem haben Wissenschaftler die Kristallstruktur des Rekord-Supraleiters ermittelt.
Um den Meissner-Effekt zu bestätigen, ist es im Allgemeinen notwendig, die Magnetisierung der Probe zu messen und zu zeigen, dass die magnetischen Feldlinien vollständig von ihr verschoben sind. Leider ist eine solche Messung für die erhaltenen Hydridproben unmöglich: Ihr Durchmesser überschreitet nicht zwanzig Mikrometer, und selbst das genaueste SQUID-Magnetometer kann die Magnetisierung nicht erkennen. Außerdem muss sich die Probe in einem Diamantamboss befinden, der sie auf den gewünschten Druck komprimiert. Der supraleitende Charakter dieses Effekts lässt sich jedoch auch aus der Abhängigkeit der kritischen Temperatur von der Stärke des äußeren Magnetfeldes feststellen: Ein ausreichend starkes Magnetfeld dringt in das Material ein und zerstört die supraleitende Phase. Die Abhängigkeit des kritischen Magnetfeldes von der kritischen Temperatur lässt sich näherungsweise durch eine Parabel beschreiben. Das Experiment zeigte, dass diese Abhängigkeit für Lanthanhydrid erfüllt ist.
Abhängigkeit des kritischen Magnetfeldes von der kritischen Temperatur beim Heizen (rote Linie) und Kühlen (blaue Linie)
Interessanterweise beobachteten Physiker in verschiedenen Experimenten einen starken Abfall des Widerstands der Probe nicht nur bei 250 Kelvin, sondern auch bei niedrigeren Temperaturen. Daher schlugen die Wissenschaftler vor, dass mit ihrer Methode zur Synthese von Lanthanhydrid nicht eine, sondern mehrere Verbindungen mit unterschiedlichen Kristallgittern gebildet werden können. Um diese Hypothese zu testen, führten die Wissenschaftler eine Röntgenstrukturanalyse durch. Mit anderen Worten, die Wissenschaftler durchleuchteten die Proben, maßen die Lage der Beugungspeaks bei verschiedenen Orientierungen des Kristalls und rekonstruierten daraus seine Kristallstruktur. Wie erwartet entdeckten die Wissenschaftler mehrere Phasen von Lanthanhydrid. In dieser Phase entspricht das kubisch-flächenzentrierte Gitter mit der Fm3m-Gruppe der maximalen kritischen Temperatur.
Abhängigkeit des Widerstandes der Probe von Temperatur (Hauptbild) und Druck (Schnitt). Verbindungen mit unterschiedlichen Kristallgittern werden in verschiedenen Farben dargestellt.
Typisches Beugungsmuster (a) und Positionen der Beugungspeaks für LaH10 (b) und LaD10 (c)
Um den Isotopeneffekt zu bestätigen, ersetzten die Forscher die Wasserstoffatome im Lanthanhydrid-Kristallgitter durch Deuteriumatome. Genauer gesagt, synthetisierten die Wissenschaftler Verbindungen in einer Deuteriumatmosphäre und wählten daraus Proben mit einem geeigneten Kristallgitter aus. Schließlich maßen die Forscher die kritische Temperatur der resultierenden LaD10-Supraleiter. Diese Temperatur betrug ungefähr 180 Kelvin, was mit dem Isotopeneffekt übereinstimmt, der besagt, dass die kritische Temperatur eines Supraleiters umgekehrt proportional zur Wurzel der Masse des Isotops ist, aus dem er besteht.
Temperaturabhängigkeit des Widerstandes von LaH10 (schwarz) und LaD10 (blau)
Damit bestätigte die Gruppe von Eremts, dass Lanthanhydrid LaH10 mehrere Eigenschaften eines Supraleiters gleichzeitig aufweist. Physiker weisen darauf hin, dass ihre Arbeit Theorien unterstützt, die Hochtemperatur-Supraleitung und die Kristallstruktur der Verbindung vorhersagen. Daher glauben die Forscher, dass es in Zukunft helfen wird, echte Raumsupraleiter zu finden.
Es ist erwähnenswert, dass die indischen Physiker Dev Kumar Thapa und Anshu Pandey im Juli letzten Jahres bekannt gaben, dass es ihnen gelungen sei, einen Supraleiter bei einer Temperatur von -37 Grad Celsius und Normaldruck zu erhalten - dafür kühlten die Wissenschaftler nanostrukturiertes Silber auf einem Goldsubstrat. Anders als bei Lanthanhydrid, das einen enormen Druck erfordert, um die Supraleitfähigkeit aufrechtzuerhalten, hat die indische Entwicklung das Potenzial für praktische Anwendungen. Allerdings ist der indische Artikel anderen Physikern gegenüber misstrauisch; Schlimmer noch, die Forscher weigerten sich, die Details des Experiments offenzulegen. Der Artikel der Physiker wurde bisher nicht in einem peer-reviewed Journal veröffentlicht und existiert nur als Preprint. Daher ist es zu früh, über praktische Raumsupraleitung zu sprechen – zunächst müssen wir eine unabhängige Überprüfung der Entdeckung von Tap und Pandey abwarten.
In unserem Material "Unterhalb der kritischen Temperatur" können Sie sich ausführlich über verschiedene Theorien der Supraleitung informieren. Dieser Artikel erklärt insbesondere den "Standard" Bardeen-Cooper-Schrieffer-Mechanismus, Magnon, Exziton und exotischere Mechanismen. Und über die frühen Stadien der Supraleitungsforschung - insbesondere der Beitrag des Nobelpreisträgers Alexei Abrikosov - erzählt das Material "Pioneer of Supraleitung".
