Neuer Stoff zeigt Potenzial als Supraleiter bei Raumtemperatur

Wissenschaftler suchen nach Materialien, die bei Raumtemperatur Strom ohne Widerstand leiten können. Diese Entdeckung würde die Art und Weise, wie wir Energie nutzen und speichern, verändern. Kürzlich haben Forscher sich auf eine Verbindung aus Lutetium, Beryllium und Wasserstoff konzentriert, bekannt als LuBeH. Versuche haben gezeigt, dass dieses Material unter hohem Druck, speziell über 100 GPa, sich wie ein Supraleiter verhalten kann.

#Was ist Supraleitung?

Supraleitung ist ein Phänomen, bei dem bestimmte Materialien Strom ohne Energieverluste leiten können. Das bedeutet, dass Elektrizität durch sie hindurchreisen kann, ohne verloren zu gehen, was viele mögliche Anwendungen hat, wie in Stromnetzen und Magnetschwebebahnen. Die meisten Supraleiter funktionieren nur bei sehr niedrigen Temperaturen, aber ein Material zu finden, das bei Raumtemperatur funktioniert, wäre ein grosser Durchbruch.

#Suche nach Supraleitern bei Raumtemperatur

Die Suche nach Materialien, die bei höheren Temperaturen als Supraleiter funktionieren können, läuft schon seit Jahren. Laut einer bekannten Theorie hängt die Fähigkeit, Strom ohne Widerstand zu leiten, von bestimmten Faktoren ab, wie der Masse der Atome des Materials. Leichtere Elemente können generell höhere kritische Temperaturen für Supraleitung unterstützen. Hier kommt Wasserstoff ins Spiel, da es das leichteste Element ist und grosses Potenzial für Hochtemperatursupraleitung hat.

Das Problem bei der Nutzung von Wasserstoff ist jedoch, dass er extrem hohe Drücke benötigt, um metallisch zu werden und supraleitende Eigenschaften zu zeigen. Daher haben Forscher ihre Aufmerksamkeit auf Metallhydridverbindungen gelenkt, die Wasserstoff und Metalle enthalten.

#Metallhydride und ihr Potenzial

Metallhydride können oft supraleitende Eigenschaften bei viel niedrigeren Drücken erreichen als reines metallisches Wasserstoff, dank der schwereren Elemente. Diese schwereren Elemente helfen, eine stabilere Struktur zu schaffen, die es dem Wasserstoff ermöglicht, sich so zu verhalten, dass Supraleitung unterstützt wird.

Nachdem sie über das Potenzial dieser wasserstoffreichen Verbindungen theorisiert hatten, entdeckten die Wissenschaftler mehrere binäre Hydride, die aus zwei Elementen bestehen, darunter Silizium und Aluminium. Sie fanden heraus, dass einige dieser Verbindungen unter Druck supraleiter werden konnten. Zum Beispiel zeigte Schwefelwasserstoff Supraleitung bei Temperaturen um 203 K, während andere Hydride sogar noch höhere kritische Temperaturen erreichten.

Die Forschung erweiterte sich über binäre Hydride hinaus zu ternären Hydriden, die aus drei Elementen bestehen. Diese Verbindungen bieten mehr Kombinationen und können zur Entdeckung noch höherer supraleitender Übergangstemperaturen führen.

#Die Studie der Superhydride

Eine interessante Kategorie von Hydriden sind Superhydride. Diese Materialien haben eine einzigartige Struktur, bei der Wasserstoffatome käfigartige Formen um positive Metallionen bilden. Seltene Erden wie Lanthan und Yttrium sind besonders gut darin, diese Strukturen zu bilden. Lutetium, das in chemischen Eigenschaften ähnlich wie Lanthan ist, wurde bisher nicht so intensiv untersucht.

Jüngste Studien deuteten auf die Möglichkeit von Supraleitung in stickstoffdotierten Lutetiumhydriden bei relativ niedrigen Drücken hin. Allerdings haben widersprüchliche Ergebnisse zu Debatten unter Wissenschaftlern über die tatsächlichen supraleitenden Fähigkeiten dieser Verbindungen geführt.

#Entdeckung von LuBeH

Die neue Studie sagt voraus, dass ein ternärer Hydrid namens LuBeH ein vielversprechender Supraleiter bei Raumtemperatur sein könnte. Die Forscher nutzten fortschrittliche Computersimulationen, um verschiedene Strukturkombinationen von Lutetium, Beryllium und Wasserstoff bei sehr hohen Drücken zu erkunden.

Die Ergebnisse der Simulationen zeigten, dass LuBeH bei Temperaturen deutlich über Raumtemperatur supraleitend werden könnte, mit einer maximalen kritischen Temperatur von 355 K bei etwa 100 GPa. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Supraleiter dar.

#Strukturelle Einblicke

Die Kristallstruktur von LuBeH besteht aus Lutetium-, Beryllium- und Wasserstoffatomen, die in einer stabilen Konfiguration angeordnet sind. Beryllium-Atome passen zwischen die Wasserstoff-Polyeder, die die Lutetium-Atome umgeben. Diese Struktur ähnelt anderen bekannten Hydriden, bei denen schwerere Elemente die allgemeine Stabilität des Materials unterstützen.

Bei 100 GPa wurden die Phononeigenschaften von LuBeH analysiert, wobei festgestellt wurde, dass die Struktur keine imaginären Schwingungen aufweist, was bedeutet, dass sie dynamisch stabil ist. Die Schwingungen der Atome treten hauptsächlich bei niedrigen Frequenzen auf. Diese Eigenschaften deuten auf starke Wechselwirkungen hin, die notwendig sind, damit Supraleitung stattfinden kann.

#Elektronische Eigenschaften

Die elektronischen Eigenschaften von LuBeH zeigten ebenfalls vielversprechende Ergebnisse. Das Material zeigt ein metallisches Verhalten, was bedeutet, dass es den Fluss von Elektrizität ermöglicht. Die Berechnungen deuteten darauf hin, dass die vorgeschlagene Struktur eine signifikante Dichte von Zuständen aufweist, die für gute supraleitende Eigenschaften entscheidend ist.

Die elektronische Bandstruktur deutet darauf hin, dass das Material bei bestimmten Energieniveaus Bandüberschneidungen hat, was die Möglichkeit von Supraleitung weiter unterstützt. Das Verhältnis zwischen den Atomen in dieser Verbindung schafft eine Umgebung, die für supraleitendes Verhalten förderlich ist.

#Praktische Implikationen

Die Entdeckung von LuBeH erweitert die wachsende Liste von Materialien, die unter bestimmten Bedingungen Supraleitung zeigen. Mit einer maximalen kritischen Temperatur bei so hohen Drücken eröffnen sich neue Wege für weitere Forschung und potenzielle Anwendungen.

Materialien zu finden, die als Supraleiter bei höheren Temperaturen funktionieren, hat nicht nur Auswirkungen auf die Energiespeicherung, sondern auch auf Transportsysteme, medizinische Bildgebungstechnologien und mehr.

#Die Zukunft der Supraleiter

Ausblickend sind Forscher begeistert von der Möglichkeit, maschinelles Lernen und andere fortschrittliche computergestützte Methoden zur Entdeckung neuer supraleitender Materialien zu nutzen. Indem sie die Strukturen verschiedener Verbindungen simulieren und vorhersagen, hoffen Wissenschaftler, noch mehr Kandidaten für Supraleiter bei Raumtemperatur zu entdecken.

Die Ergebnisse mit LuBeH inspirieren weitere Studien zu anderen Hydridkombinationen. Durch die Mischung anderer schwererer Elemente mit Wasserstoff können Forscher die Suche nach Materialien erweitern, die unter zugänglicheren Bedingungen Supraleitung erreichen können.

#Fazit

Zusammengefasst stellen die jüngsten Erkenntnisse über LuBeH einen bedeutenden Schritt in der Suche nach Supraleitern bei Raumtemperatur dar. Die Kombination aus Lutetium, Beryllium und Wasserstoff zeigt bemerkenswerte supraleitende Eigenschaften bei hohen Drücken. Mit fortlaufender Forschung und technologischen Fortschritten könnte der Traum, praktische Materialien für Supraleitung bei Raumtemperatur zu entdecken, bald Wirklichkeit werden. Das würde nicht nur der wissenschaftlichen Forschung zugutekommen, sondern auch transformative Anwendungen in unserem Alltag ermöglichen.