Neues Material erleichtert die Suche nach superkühlender Supraleitung.

12. Mai 2023

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von Skolkovo Institute of Science and Technology

Wissenschaftler der Jilin University, des Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research und von Skoltech haben Lanthan-Cer-Polyhydrid synthetisiert, ein Material, das die Untersuchung von Supraleitfähigkeit bei fast Raumtemperatur ermöglicht. Es bietet einen Kompromiss zwischen Lanthan- und Cer-Polyhydriden hinsichtlich der notwendigen Kühlung und des notwendigen Drucks. Dadurch werden einfachere Experimente ermöglicht, die eines Tages zu Verbindungen führen könnten, die bei Umgebungsbedingungen elektrischen Strom ohne Widerstand leiten - ein seit vielen Jahren angestrebter Engineering-Traum. Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Eine der faszinierendsten ungelösten Fragen in der modernen Physik ist: Können wir ein Material herstellen, das bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck elektrischen Strom ohne Widerstand leitet (supraleitfähig ist)? Ein solcher Supraleiter würde eine beispiellose Effizienz bei Stromnetzen, ultraschnelle Mikrochips und elektromagnetische Felder ermöglichen, die so mächtig wären, dass sie Züge schweben lassen oder Fusionsreaktoren kontrollieren könnten.

Bei der Suche nach geeigneten Materialien untersuchen Wissenschaftler verschiedene Klassen von Materialien und erhöhen allmählich die Temperatur, bei der sie supraleitfähig werden, und verringern den Druck, den sie benötigen, um stabil zu bleiben. Eine Gruppe von Materialien sind Polyhydride - Verbindungen mit extrem hohem Wasserstoffgehalt. Derzeit ist bei -23 °C der am besten geeignete Lanthan-Polyhydrid-Supraleiter mit der Formel LaH10. Der Kompromiss besteht darin, dass er einen Druck von 1,5 Millionen Atmosphären benötigt. Auf der anderen Seite sind Cuprate eine Klasse von Materialien, die unter atmosphärischem Druck supraleitfähig sind, jedoch kühlere Temperaturen erfordern - nicht mehr als -140 °.

Skoltech-Forscher und ihre chinesischen Kollegen haben es geschafft, die Druckanforderungen von Polyhydrid-Supraleitern zu lockern. Dazu stellte das Team das Lanthan-Hydrogen-System einige mit Cerium gemischt ein. Das bedeutete, dass ein Lanthan-Cer-Legierung hergestellt und in einer Hochdruckzelle mit Ammoniak-Boran erhitzt wurde, was eine Substanz ist, die beim Zerfall viel Wasserstoff abgibt.

Lanthan und Cerium sind zwei sehr ähnliche Atome, die analoge Verbindungen bilden und häufig gegeneinander ausgetauscht werden können. Während Supraleitfähigkeit für die Polyhydride LaH10 und CeH10 sowie CeH9 gemeldet wurde, wird die entsprechende LaH9-Phase selten von Experimentatoren beobachtet. Die Wissenschaftler beschlossen, die Hypothese zu testen: Es sollte möglich sein, LaH9 zu stabilisieren, indem es mit einer geeignet gewählten Additiv, wie Cerium, ergänzt wird, vorausgesetzt, dass dies die Struktur des ursprünglichen Materials verändert. Und es funktionierte.

"Sehr hoher Druck zwingt reines Lanthan und Wasserstoff in die LaH10-Struktur. Aber wenn Sie ungefähr jedes vierte Lanthanatom durch Cerium ersetzen, wird die Struktur in die Anordnung gebracht, die in CeH9 zu sehen ist. In diesem Sinne verändert die Einführung des dritten Elements die Struktur, die das reine Material sonst angenommen hätte. Und dieses Additiv trägt zur Stabilität bei: Im Vergleich zu den 1,5 Millionen Atmosphären, die für LaH10 benötigt werden, ist unser Lanthan-Cer-Polyhydrid bei nur 1 Million Atmosphären stabil. Dies entspricht etwa dem Druck, den Cer-Polyhydride benötigen. Deren Supraleitfähigkeit tritt jedoch nur unter -158 °C auf, während der neue Supraleiter bei -97 °C funktioniert. Es ist also ein guter Kompromiss, aber noch wichtiger ist, dass unsere Argumentation richtig ist", erklärt Studienautor Professor Artem R. Oganov von Skoltech.

Als Person, die in einem Bereich arbeitet, in dem noch vor nicht allzu langer Zeit viele bezweifelten, dass so genannte konventionelle Supraleitfähigkeit - wie die in Polyhydriden - jemals bei Temperaturen über -230 °C oder so existieren könnte, misst Oganov der Prüfung und Verfeinerung der Regeln, die es ermöglichen, Supraleiter auf eine zuverlässige und systematische Weise zu entdecken und zu verbessern, besondere Bedeutung bei. Obwohl er glaubt, dass Polyhydride im Allgemeinen in der Regel nie unter Atmosphärendruck supraleitfähig werden (was eine notwendige Bedingung für groß angelegte Anwendungen wie Maglev-Züge oder verlustfreie Stromnetze ist), sagt er, dass ihre Studie Einblicke in die Supraleitfähigkeit bietet, die uns näher an das Ziel bringt, dieses ultimative Ziel mit anderen Materialien zu erreichen.

'Polyhydrides are an Eldorado for fundamental superconductor research under pressure,' Oganov says. 'And by synthesizing our new compound, we have both tested and refined the tools and tricks useful in this quest and supplied a convenient material for further studies.'

'The work is also interesting for two key experiments: It shows the possible anisotropy of the upper critical field for hydrides. That is, the dependence of critical temperature on the direction of the magnetic field. And it also shows that with a decrease in pressure, a pseudogap phase manifests in polyhydrides,' study co-author and Skoltech Ph.D. alumnus Dmitrii Semenok said, adding that both properties are characteristic of cuprate superconductors. 'Thus, on closer inspection, polyhydrides turn out to be much like cuprates despite the different mechanisms of superconductivity.'

Asked about other promising compounds that current polyhydride research is leading to, the researchers responded that hydrides and borohydrides of calcium, yttrium, lanthanum, and magnesium seem to deserve research attention at this point.

Journal information: Nature Communications

Provided by Skolkovo Institute of Science and Technology