Tantalpolyhydrid reiht sich in eine aufstrebende High-End-Klasse ein

Jul 17, 2023

Tantalpolyhydrid wird bei einer Temperatur von 30 K und Drücken von rund 200 Gigapascal (GPa) zum Supraleiter, sagen Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking. Dies ist das erste Mal, dass Supraleitung in einem Hydrid aus einem Übergangsmetall der Gruppe 5 beobachtet wurde, und Mitglieder des Forschungsteams sagen, dass die Entdeckung den Weg zur Synthese von metallischem Wasserstoff ebnen könnte.

Supraleiter sind Materialien, die elektrischen Strom ohne elektrischen Widerstand leiten, wenn sie unter ihre supraleitende Übergangstemperatur (Tc) abgekühlt werden. Ihre Einsatzgebiete reichen von Hochfeldmagneten in Kernspintomographen und Teilchenbeschleunigern bis hin zu Quantenbits in Quantencomputern. Allerdings liegt Tc bei den meisten Supraleitern nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt, und selbst sogenannte Hochtemperatursupraleiter müssen auf unter 150 K abgekühlt werden, bevor sie Strom widerstandslos leiten können. Forscher wollen daher Materialien entwickeln, die auch bei höheren Temperaturen, idealerweise bei Raumtemperatur, supraleitend bleiben.

Theoretisch sollte der metallische Zustand von Wasserstoff, der voraussichtlich bei extrem hohen Drücken auftritt, bei Raumtemperatur supraleitend sein. Leider ist es sehr schwierig, reinen Wasserstoff metallisch zu machen. Als Alternative haben Wissenschaftler begonnen, Hydride zu untersuchen, bei denen es sich um Verbindungen aus Wasserstoff und einem Metall handelt.

In den letzten Jahren wurde festgestellt, dass sowohl Schwefelhydrid als auch Polyhydride bei Temperaturen über 200 K supraleitend sind, allerdings nur bei Drücken, die mehr als eine Million Mal höher sind als der Atmosphärendruck auf Meereshöhe. Weitere supraleitende Materialien dieser Klasse sind Seltenerdhydride wie LaH10 und YH9 sowie Erdalkalihydride wie CaH6. Es wurde ebenfalls festgestellt, dass Hydride, die Zirkonium, Lutetium und Zinn enthalten, einen mäßig hohen Tc-Wert aufweisen.

Die meisten 3D-Übergangsmetalle haben lokale Elektronenspins, die dazu neigen, magnetische Fluktuationen zu zeigen, die der Supraleitung entgegenwirken. Aus diesem Grund haben Forscher ihre Aufmerksamkeit auf 5d-Übergangsmetalle wie Hf und Ta gerichtet. Tatsächlich wird Hafniumpolyhydrid bei etwa 83 K supraleitend.

Ein Forscherteam um Changqing Jin hat nun ein weiteres supraleitendes Hydrid synthetisiert, Tantalpolyhydrid (TaH3). Sie führten ihr Experiment durch, indem sie das Material in eine Diamant-Ambosszelle gaben und bei einem Druck von 200 GPa beobachteten, dass es bei etwa 30 K supraleitend ist. Damit sei es das erste supraleitende Hydrid, das aus Metallen der Gruppe 5 hergestellt wurde, sagt Jin und Kollegen, die die supraleitende Phase mithilfe von In-situ-Messungen der elektrischen Leitfähigkeit sowie Röntgenbeugungsmessungen bei hohen Drücken untersuchten.

Hinweise auf Supraleitung nahe der Umgebungstemperatur in Lutetiumhydrid

Jin erklärt, dass Tantal eine hohe Toleranz gegenüber interstitiellen Elementen aufweist und mehr als drei Wasserstoffatome in seinem Gitter aufnehmen kann. Allerdings sind diese Atome zu weit voneinander entfernt, als dass Elektronen direkt zwischen verschiedenen Stellen im Material springen und einen verlustfreien elektrischen Strom erzeugen könnten. „Wir vermuten daher, dass die von uns beobachtete Supraleitung mit der Hybridisierung zwischen den Orbitalen von Ta und H zusammenhängt“, sagt er gegenüber Physics World. „Das unterscheidet sich völlig von dem, was man von Calciumhydrid- oder Seltenerd-Polyhydrid-Supraleitern erwartet, bei denen Elektronen direkt zwischen benachbarten H-Atomen springen können, die einen sehr dichten Käfig bilden.“

Die Beobachtung der Supraleitung in TaH3 lässt darauf schließen, dass metallischer Wasserstoff durch Metallisierung einer kovalenten Bindung zwischen H und anderen Elementen realisiert werden könnte. Die Forscher, die über ihre Arbeit in Chinese Physics Letters berichten, sagen, dass sie nun planen, andere Polyhydrid-Supraleiter zu erforschen, die diese kovalenten Bindungen enthalten.