Potenzielle Supraleiter auf Wasserstoffbasis identifiziert
Supraleitung ist ein faszinierendes Phänomen, das in bestimmten Werkstoffen auftritt. Wenn diese Werkstoffe unter eine bestimmte Temperatur abgekühlt werden, verlieren sie jeglichen elektrischen Widerstand und werden zu perfekten Leitern. „Das macht sie zu idealen Werkstoffen für eine Reihe von elektromagnetischen Anwendungen“, erklärt der Projektkoordinator von SuperH Ion Errea(öffnet in neuem Fenster) von der Universität des Baskenlandes(öffnet in neuem Fenster). „Dazu gehören zum Beispiel Elektromotoren, Stromgeneratoren, Kernresonanzgeräte und Sensoren.“
Potenzial von Werkstoffen auf Wasserstoffbasis
Eine große Herausforderung ist jedoch, dass diese kritische Temperatur in der Regel extrem niedrig ist - in der Größenordnung von einigen Kelvin. Dies beschränkt die praktische Anwendung von Supraleitern. Das mit Unterstützung vom Europäischer Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) geförderte Projekt SuperH will diese Herausforderung angehen, indem es das Potenzial von Materialien auf Wasserstoffbasis untersucht. Diese Arbeit basiert auf jüngsten Prognosen, dass diese Werkstoffe bei höheren Temperaturen supraleitend sein können. „Wir wollten untersuchen, ob es in der Familie der wasserstoffbasierten Werkstoffe tatsächlich Hochtemperatursupraleiter gibt, die mit dem Druck der Umgebungsluft funktionieren“, sagt Errea.
Neue Berechnungen nach den ersten Grundsätzen
Um zu verstehen, ob in wasserstoffbasierten Supraleitern Hochtemperatursupraleitung bei niedrigem Druck, sogar bei Umgebungsdruck, möglich ist, wollte das Team zunächst besser verstehen, wann und warum diese Werkstoffe hohe kritische Temperaturen erreichen. Anschließend wollte das Team neue theoretische Werkzeuge entwickeln, um geeignete Verbindungen zu identifizieren und ihre kritischen Temperaturen genau zu berechnen. „Wir haben theoretische Berechnungen nach den ersten Prinzipien verwendet, um wasserstoffbasierte Werkstoffe zu verstehen und zu charakterisieren und um neue Supraleiter zu ermitteln“, fügt Errea hinzu. Bei Berechnungen nach den ersten Prinzipien werden komplexe Probleme auf ihre grundlegenden Hypothesen heruntergebrochen und dann von diesen Kernprinzipien ausgehend abgeleitet. „Allerdings unterliegen Werkstoffe, die große Mengen an Wasserstoff enthalten, Quantenfluktuationen. Zu Beginn des Projekts ließen sich diese Quanteneffekte nicht in die theoretischen Methoden mit einbeziehen, um die thermodynamische Stabilität vorherzusagen oder die kritischen Temperaturen von Supraleitern zu berechnen.“ Errea und sein Team entwickelten daher neuartige Verfahren nach dem ersten Hauptsatz, um diese Herausforderung zu meistern. Diese wurden dann verwendet, um Verbindungen zu charakterisieren und neue Supraleiter auf Wasserstoffbasis zu prognostizieren.
Neue Forschungsmöglichkeiten im Bereich der Supraleitung
Diese Arbeit hat zu einer Reihe von bahnbrechenden Erfolgen geführt. Beispielsweise konnten Errea und sein Team ableiten, dass Supraleiter auf Wasserstoffbasis eine hohe kritische Temperatur erreichen, wenn sie Verbindungsnetzwerke mit lokalisierten Elektronen bilden. „Das hat uns bei der Suche nach neuen Werkstoffen weitergeholfen“, sagt er. „Außerdem erkannten wir, dass die Wasserstoff-Quantenfluktuationen für die Supraleitung in diesen Verbindungen gut sind. Sie helfen dabei, thermodynamisch und dynamisch hochkritische Temperaturverbindungen bei viel niedrigerem Druck als erwartet zu stabilisieren.“ Mit dieser Erkenntnis und den neu entwickelten Methoden konnte das SuperH-Projekt eine Reihe neuer Werkstoffe vorhersagen, zum Beispiel RbPH3. „Unseren Berechnungen zufolge lässt es sich bei einem Druck von 30 GPa (einem sehr hohen Druck) synthetisieren und bleibt bis zum Umgebungsdruck bei einer kritischen Temperatur von etwa 100 Kelvin stabil.“ Dies beweist, dass Supraleiter auf Wasserstoffbasis mit hoher kritischer Temperatur bei Umgebungsdruck realisierbar sind. Dies eröffnet neue Wege auf dem weiten Feld der Supraleitung sowie neue Perspektiven für die Entdeckung interessanter neuer Supraleiter, die bestehende verbessern. „Die Herausforderung besteht nun darin, mit Experimentalforschern zusammenzuarbeiten, um ihnen zu helfen, unsere neuen Vorhersagen zu synthetisieren, zum Beispiel RbPH3“, bemerkt Errea. „In der Zwischenzeit arbeiten wir an weiteren Vorhersagen für ähnliche Werkstoffe.“
