Forscher entdecken Zinnhydrid mit Eigenschaften eines seltsamen Metalls

30. August 2023

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vom Skolkowo-Institut für Wissenschaft und Technologie

Wissenschaftler von Skoltech, dem Shubnikov Institute of Crystallography und dem Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) in Peking, China, erforschen die Supraleitung von Polyhydriden – Verbindungen aus Metallen und Wasserstoff, die unter hohem Druck gebildet werden. Es wird erwartet, dass diese Verbindungen bei höheren Temperaturen funktionieren als Cuprat-Supraleiter.

Zusammen mit Kollegen anderer führender Forschungsinstitute in Russland, China, Deutschland und den USA hat das Team kürzlich einen Artikel in Advanced Science veröffentlicht, in dem sie bisher unbekannte Zinnhydride vorstellen.

Unter Supraleitung versteht man die verlust- und widerstandsfreie Leitung von Elektrizität. Supraleiter vereinfachen die Übertragung von Elektrizität erheblich und werden in technologischen Fortschritten eingesetzt – zum Beispiel in großen Magneten und Quantencomputern, die Aufgaben millionenfach schneller lösen als die Kapazität eines normalen Computers. Allerdings ist diese Technologie sehr teuer, da Supraleiter nur bei sehr niedrigen Temperaturen funktionieren – meist unter -196 °C.

„Nachdem neue Materialien mit nahezu rekordverdächtigen kritischen Temperaturen wie H3S oder LaH10 entdeckt wurden, begann die Hochtemperatur-Hydrid-Supraleitung an Interesse zu gewinnen. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die physikalischen Mechanismen der Leitfähigkeit und Supraleitung in Hydriden zu verstehen und zu analysieren.“ sowie die Struktur neuer Materialien, sonst können wir ungenaue Daten erhalten. Unsere Studien gehen dieses Problem erfolgreich an“, sagt Alexander Kvashnin, Co-Autor der Studie und Assistenzprofessor am Projektzentrum für Energiewende.

Das Forschungsteam von Skoltech und dem Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) in Peking führt Experimente durch, um die Supraleitung bei Raumtemperatur zu erreichen. „Zuvor haben wir supraleitende Polyhydride aus Thorium, Yttrium, Cer, Lanthan-Yttrium und Lanthan-Cer bei einem Druck von bis zu 2 Millionen Atmosphären untersucht. Die maximale Temperatur, die wir erreichen konnten, lag bei etwa 253 Grad Kelvin (ungefähr -20°). C)“, sagt Dmitrii Semenok, Co-Autor der Studie und Skoltech-Absolvent, Postdoktorand am Center for High Pressure Science and Technology Advanced Research (HPSTAR) in Peking.

In der neuen Arbeit untersuchten die Forscher die chemische Wechselwirkung zwischen Zinn (Sn) und Wasserstoff (H2) unter einem Druck von 1,8–2,4 Millionen Atmosphären durch elektrische Transportmessungen und Synchrotron-Röntgen-Einkristall- und Pulverbeugung.

„Für die Experimente verwenden wir Hochdruck-Diamantambosszellen mit zwei Diamantambossen, die kräftig aneinander drücken. Wir haben eine kleine Probe des untersuchten Materials dazwischen gelegt – in diesem Fall war das Material flüssiges Stannan, ein molekulares Zinnhydrid.“ SnH4. Beim Pressen von Diamanten ist eine Fläche von 50 Mikrometern einem ziemlich hohen Druck ausgesetzt – bis zu 2–2,5 Millionen Atmosphären.

„Dadurch verändern sich die Eigenschaften des Stoffes und es entstehen neue Verbindungen aus Zinn und Wasserstoff. Die transparente Flüssigkeit SnH4 verwandelt sich in einen Halbleiter, dann in ein Metall und später in einen Supraleiter mit der kritischen Temperatur von 72 Kelvin. Die elektrischen Transporteigenschaften wurden mit metallischen Leitungen analysiert „Wir haben die Struktur neuer Zinnhydride mithilfe von Einkristall- und Pulverröntgenbeugung untersucht“, beschreibt Semenok.

Wie Forscher argumentieren, weist SnH4 unter Druck ungewöhnliche Eigenschaften auf – der elektrische Widerstand und der Magnetowiderstand dieses Hydrids im nicht supraleitenden Zustand hängen nahezu linear von der Temperatur und dementsprechend dem angelegten Magnetfeld ab. Das obere kritische Magnetfeld ist abweichend von den gängigen Modellen auch bis zu 2 K linear von der Temperatur abhängig. Das Verhalten des Zinntetrahydrids ist dem von Cuprat-Supraleitern sehr ähnlich, die allgemein als „seltsame“, nicht-fermiflüssige Metalle bezeichnet werden.

„Seltsame“ Metalle leiten Elektrizität anders als gewöhnliche Metalle. Die Streuung der Elektronen in ihnen und ihr elektrischer Widerstand werden nicht nur durch thermische Schwingungen des Gitters und die Elektron-Elektron-Wechselwirkung beeinflusst, sondern auch durch andere Faktoren und exotische Teilchen wie supraleitende Fluktuationen, Magnonen, Spin- und Ladungsdichtewellen.

„Unsere Arbeit dient somit als Brücke zwischen der an Quanteneffekten reichen Kuprat-Supraleitung und der Hydrid-Supraleitung bei hohen Drücken. Andere supraleitende Hydride mit großem praktischem Potenzial (z. B. ein Lanthan-Superhydrid LaH10) können ebenfalls „seltsame“ Metalle sein. Mehr Es bedarf noch gründlicher Forschung“, sagt Semenok.

Forscher planen, die physikalischen Eigenschaften supraleitender Polyhydride weiterhin zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf Quanteneffekten in ihnen bei niedrigen Temperaturen liegt. Das Team interessiert sich insbesondere für die Cerhydride CeH9 und CeH10. Ihre großen Proben können bei viel niedrigerem Druck gewonnen werden – fast 1 Million Atmosphären.

Mehr Informationen: Ivan A. Troyan et al., Non-Fermi-Liquid Behavior of Supraconducting SnH4, Advanced Science (2023). DOI: 10.1002/advs.202303622

Zeitschrifteninformationen:Fortgeschrittene Wissenschaft

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