Vielseitige Lanthanhydride

Alle heute bekannten und in Forschung und Industrie angewendeten Supraleiter sind nur unterhalb von 150 Grad Kelvin supraleitend. Weltweit sucht man daher Materialien, die diese Eigenschaft bei höheren Temperaturen haben. Aufgrund theoretischer Modellierungen sind Hydride immer stärker in den Fokus gerückt. Ein internationales Forschungs­team unter der Leitung von Wissenschaftlern der Universität Bayreuth berichtet jetzt über neue, unter hohen Drücken erzeugte Verbindungen aus Lanthan und Wasserstoff. Die überraschenden Struktur­analysen dieser Lanthan­hydride werden die Suche nach neuen Supraleitern weiter voranbringen können.

Supraleitende Materialien würden zahlreiche energie­wirtschaftliche Herausforderungen auf einen Schlag lösen: So könnte beispielsweise der an Küsten von Windrädern erzeugte Strom ohne Verluste ins Landesinnere geleitet werden. Dies wäre aber erst dann möglich, wenn Materialien verfügbar sind, die bei normaler Raum- und Umgebungs­temperatur supraleitende Eigenschaften haben.

Im Jahr 2019 wurde bei Experimenten, die vom Max-Planck-Institut in Mainz koordiniert wurden, eine ungewöhnlich hohe Sprung­temperatur von minus 23 Grad Celsius gemessen. Die Messung fand bei einem Kompressionsdruck von 170 Gigapascal statt – also 1,7 Millionen Mal höher als der Druck der Erdatmosphäre. Bei dem Material handelte es sich um ein Lanthan­hydrid, eine Verbindung von Atomen des Metalls Lanthan mit Wasserstoffatomen. Der Bericht über diese Experimente und weitere ähnliche Berichte werden bis heute kontrovers diskutiert. Sie haben in der international ein großes Interesse an Lanthan­hydriden mit unterschiedlichen Zusammen­setzungen und Strukturen geweckt.

Daran knüpft die neue Studie an. Die Messdaten von 2019 ließen vermuten, dass sich unter sehr hohen Kompressionsdrücken noch andere supraleitende Lanthan­hydride bilden. Diese Überlegungen haben sich jetzt bestätigt: Im Hochdrucklabor des Bayerischen Geoinstituts (BGI) wurden insgesamt sieben Lanthan­hydride erzeugt: die zwei schon bekannten Verbindungen LaH_10+δ und LaH₃ sowie die bisher unbekannten Lanthan­hydride LaH_~4, LaH_4+δ, La₄H₂₃, LaH_6+δ und LaH_9+δ. Diese Verbindungen entstanden aus Proben, die Lanthan und Paraffin – eine wasserstoffreiche Mischung aus gesättigten Kohlenwasserstoffen – enthielten. Die Proben wurden in Diamantstempelzellen sehr hohen Drücken zwischen 96 und 176 Gigapascal ausgesetzt und dabei auf über 2200 Grad Celsius erhitzt.

In Kooperation mit dem DESY in Hamburg und dem Center for Advanced Radiation Sources in Chicago gelang es, die Strukturen der neuen Verbindungen aus Lanthan und Wasserstoff zu identifizieren. Dabei stellte sich heraus, dass Lanthan­hydride mit der gleichen Anordnung von Lanthan-Atomen sich hinsichtlich ihres Wasserstoff­gehalts erheblich unterscheiden. Anders gesagt: Das gleiche Gerüst aus Lanthan-Atomen kann mit unterschiedlich vielen Wasserstoff-Atomen verknüpft sein. Dabei können die Wasserstoff-Atome sehr verschieden angeordnet sein. Die Wissenschaftler haben nachgewiesen, dass es eine ähnliche strukturelle Vielfalt auch bei Hydriden geben kann, die statt des Lanthans andere Metalle aus der Gruppe der Seltenen Erden enthalten. Diese überraschende Erkenntnis widerlegt eine Hypothese, die bei der Erforschung supraleitender Materialien bisher eine zentrale Rolle gespielt hat: nämlich das Vorurteil, dass eine bestimmte Anzahl und Anordnung von Lanthan-Atomen nur eine einzige Konfiguration von Wasserstoff­atomen zulässt.

Vor diesem Hintergrund erklärt die Koordinatorin der Studie, Natalia Dubrovinskaia vom Laboratorium für Kristallographie der Universität Bayreuth: „Bei der Suche nach Supraleitern mit höheren Sprungtemperaturen sind theoretische Modelle und hierauf basierende Berechnungen unentbehrlich. Wasserstoff­haltige Festkörper haben sich dabei als vielversprechende Materialien erwiesen. Die Supraleit­fähigkeit dieser chemischen Verbindungen hängt, wie wir heute wissen, wesentlich von der Anzahl und der Anordnung der Wasserstoff­atome ab. Umso wichtiger ist es, dass in die theoretischen Modelle keine falschen Annahmen einfließen, die zur Folge haben, dass wasserstoff­haltige Festkörper mit hoher Sprung­temperatur unentdeckt bleiben.“ Leonid Dubrovinsky vom BGI ergänzt: „Unsere Erkenntnisse zu den Lanthan­hydriden führen uns nachdrücklich vor Augen, dass wir bei der Suche nach optimalen Supraleitern die Anzahl der möglichen wasserstoff­haltigen Verbindungen und die Vielfalt der möglichen Konfigurationen von Wasserstoffatomen nicht unterschätzen dürfen.“

U. Bayreuth / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Laniel et al.: High-pressure synthesis of seven lanthanum hydrides with a significant variability of hydrogen content, Nat. Commun. 13, 6987 (2022); DOI: 10.1038/s41467-022-34755-y
• Hochdruck- und Hochtemperaturforschung, Universität Bayreuth

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• Mit Hochdruck zur Supraleitung (Pro-physik.de Nachrichten, 24. Mai 2019)
• K. Held, O. Janson und L. Si, Supraleitung in der Nickelzeit, Physik Journal, Februar 2022, S. 35 PDF
• J. Fink, Supraleitung bei Raumtemperatur?, Physik Journal, März 2015, S. 18 PDF
• H. Eschrig, J. Fink und L. Schultz, 15 Jahre Hochtemperatur-Supraleitung, Physik Journal, Januar 2002, S. 45 PDF