Metallischer Wasserstoff: Neue Phase unter Hochdruck entdeckt

  • 07. January 2016

Bei über 325 Gigapascal häufen sich Hinweise auf Dis­sozi­ierung des Wasser­stoff­moleküls.

Schon 1935 sagten Eugene Wigner und Hillard Bell Huntington eine metallische Phase für Wasser­stoff voraus. Allerdings lagen sie mit ihrer Schätzung für den erforder­lichen Druck von 25 Giga­pascal viel zu niedrig. So lässt der experi­mentelle Nachweis bis heute auf sich warten. Einen Schritt näher an dieses Ziel kam nun ein Team um Philip Dalladay-Simpson von der University of Edinburgh. Die Forscher konnten bei 325 Giga­pascal einen Phasen­wechsel nach­weisen, den sie als Vorläufer eines metal­lischen Zustands inter­pretieren.

Diamantpresszelle

Abb.: In einer Diamantpresszelle (rechts) wird Wasserstoff mit bis zu 388 Gigapascal zusammengepresst. Laser (links) liefern über die Raman-Spektroskopie Hinweise für eine sich bildende metallische Phase. (Bild: P. Dalladay-Simpson, E. Gregoryanz)

Wichtigstes Instrument für die Messungen war eine Diamant­press­zelle wie sie sonst von Geo­wissen­schaftlern für die Simulation extremer Drücke, die im Erd­inneren herrschen, genutzt wird. Zwischen zwei Diamanten mit 15 bis 30 Mikro­metern Durch­messer setzten die Wissen­schaftler eine kleine Kammer aus Rhenium­folie. Das einge­füllte Wasser­stoff­gas konnten sie bei Raum­temperatur mit fast dem Vier­millionen­fachen des Atmosphären­drucks kompri­mieren. Für die Analyse der dabei entstan­denen Wasser­stoff­phasen nutzten sie die Raman­spektro­skopie.

Ab 325 Gigapascal verdunkelte sich der Wasser­stoff und zeigte eine elektrische Leit­fähig­keit. Diesen Effekt erklären Dalladay-Simpson und seine Kollegen mit der Erzeugung von leitenden Elektronen, die bei der einsetzenden Spaltung der Wasser­stoff­moleküle entstehen. Belast­barere Hinweise dafür lieferten die Raman-Spektren, die nach einer Laser­anregung der Probe Änderungen im Schwingungs­verhalten der Moleküle zeigten. Sowohl die relative Intensität als auch die Positionen verschiedener Vibrations­moden variierte mit zunehmenden Drücken. Diese Änderungen weisen auf eine Disso­ziierung und das Entstehen atomaren Wasser­stoffs hin. Diesen neuen Zustand von Wasser­stoff bezeichnen die Forscher als Phase V, den Vorläufer der metallischen Phase.

Vollständig zum Metall wandelte sich der Wasser­stoff in diesem Experiment aller­dings noch nicht. Dazu seien nach Schätzungen der Forscher noch höhere Drücke jenseits von 400 Giga­pascal nötig. Frühere Experimente legten Drücke von etwa 450 Giga­pascal für diesen Phasen­übergang nahe. Doch ebnet dieses Experiment nun den Weg, um das Ziel in abseh­barer Zeit erreichen zu können. Am Ende dieser Arbeiten werden nicht nur voll­ständige Phasen­diagramme von Wasser­stoff unter hohen Drücken stehen. Auch für die Suche nach Supra­leitern, die elektrischen Strom ohne Widerstand und möglichst bei Raum­temperatur leiten sollen, könnte diese Art der Wasser­stoff­forschung wichtige Hinweise liefern.

Das gleiche Ziel verfolgen auch Wissen­schaftler vom MPI für Chemie in Mainz. Vor fünf Jahren setzten sie Wasser­stoff ebenfalls extrem hohen Drücken von bis zu 270 Giga­pascal aus. Dabei entdeckten sie zunächst einen zuvor unbekannten Zustand des Wasser­stoffs: Bei Drücken von mehr als 220 GPa verhielt sich der Wasser­stoff wie ein Halb­leiter, ab 230 GPa erstarrte er zu einem Fest­körper. Als die Forscher den Druck auf die Probe weiter erhöhten, stieg die Leit­fähigkeit des Wasser­stoffs allmählich, bis sie bei etwa 270 GPa auf das Tausend­fache sprang. Hierin sahen die Forscher einen deutlichen Hinweis auf die metallische Phase.

Einen eindeutigen Beweis für die metallische Phase stellte dieses Experiment aber noch nicht dar. Für eine Bestätigung müssten neben der elek­trischen Leit­fähig­keit noch weitere für Metalle typische Eigen­schaften nachge­wiesen werden. Zudem halten es die Mainzer Forscher für möglich, dass Wasser­stoff bei diesen Drücken nicht als metallischer Fest­körper vorliegt, sondern als metallische Flüssig­keit wie Queck­silber. Diese Flüssig­keit könnte sogar suprafluid sein, also anders als herkömmliche Flüssig­keiten gänzlich ohne Reibung fließen.

Jan Oliver Löfken

RK

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