Synthesis of Y$_3$Fe$_4$H$_{20}$ as a new prototype structure for ternary superhydrides recoverable at ambient pressure

In der festen Welt der Materialien ist Wasserstoff ein Meister der Verkleidung. Bei dem Druck, unter dem wir jeden Tag leben, bindet er auf vorhersehbare Weise: manchmal als einfaches Gas, manchmal fest in Metallen eingeschlossen oder indem er komplexe Strukturen bildet, die Energie speichern. Jahrzehntelang wussten Wissenschaftler, dass Wasserstoff völlig neue Wege gehen würde, wenn sie ihn stark genug zusammenpressen könnten – Drücke, wie sie tief im Inneren von Riesenplaneten vorkommen oder in spezialisierten Laboren erzeugt werden. Unter einem solchen extremen Kompressionsdruck werden Wasserstoffatome so nah zusammengedrängt, dass sie dichte, ungewöhnliche Netzwerke bilden und eine Klasse von Materialien namens Superhydride erschaffen. Diese exotischen Verbindungen sind berühmt für eine verblüffende Eigenschaft: Einige können Elektrizität mit null Widerstand bei Temperaturen leiten, die weit wärmer sind als bei jedem anderen bekannten Supraleiter. Ein großes Hindernis stand jedoch schon immer im Weg, um sie zu nutzen. Diese Superhydride sind wie Eiswürfel in der Wüste; sobald der erdrückende Druck nachlässt, schmelzen sie zu gewöhnlichen, weniger interessanten Substanzen zurück. Die große Herausforderung für die Forscher bestand darin, einen Weg zu finden, diese Hochdruckstrukturen einzufangen, damit sie unter freiem Himmel überleben können, um ihre bemerkenswerten Eigenschaften für die reale Nutzung verfügbar zu machen.

Ein Forscherteam in Frankreich hat nun einen bedeutenden Schritt zur Lösung dieses Problems unternommen, indem es eine neue Art von Superhydrid erschaffen hat, das sich weigert, auseinanderzufallen, wenn der Druck nachlässt. In Arbeit mit einer Mischung aus Yttrium, Eisen und Wasserstoff verwendeten sie eine Vorrichtung, die als Diamantstempelzelle bezeichnet wird, um die Materialien zusammenzuquetschen. Indem sie die Probe unter hohem Druck mit einem Laser erhitzten, lockten sie die Atome dazu, eine spezifische, hochgeordnete Struktur zu bilden. Das Ergebnis war eine Verbindung mit der Formel Y3Fe4H20, ein Material, das auf eine nie zuvor gesehene Weise mit Wasserstoffatomen gepackt ist. Was diese Entdeckung wirklich besonders macht, ist, dass das Material seine Form nicht kollabierte, als die Wissenschaftler den Druck langsam reduzierten. Stattdessen behielt es seine Gestalt bei und blieb selbst nach der Rückkehr zum normalen atmosphärischen Druck stabil. Dies markiert das erste Mal, dass ein Superhydrid mit einem so hohen Wasserstoffgehalt zurückgewonnen und unter alltäglichen Bedingungen intakt gehalten wurde.

Um zu verstehen, was sie gefunden hatten, musste das Team in das Kristallgitter ihres neuen Materials hineinschauen. Mit leistungsstarken Röntgenstrahlen kartierten sie die Positionen der schweren Metallatome, Yttrium und Eisen. Da Wasserstoffatome zu leicht sind, um durch Röntgenstrahlen klar gesehen zu werden, nutzten die Forscher fortschrittliche Computersimulationen, um herauszufinden, wo der Wasserstoff sitzen muss, um die Struktur stabil zu halten. Das Bild, das sich daraus ergab, war ein einzigartiges architektonisches Design. Die Eisenatome sind jeweils von acht Wasserstoffatomen umgeben und bilden würfelförmige molekulare Einheiten. Diese Würfel schweben nicht allein; sie sind kante an kante miteinander verbunden und teilen sich Wasserstoffatome, um lange, kontinuierliche Ketten zu bilden. Die Yttriumatome sitzen in den Zwischenräumen dieser Ketten und werden durch elektrische Kräfte an ihrem Platz gehalten. Die Forscher verglichen diese Anordnung mit der Art und Weise, wie Silizium und Sauerstoff in Silikatmineralien, einer häufigen Familie von Gesteinen, miteinander verknüpft sind, aber hier bestehen die „Gesteine“ aus Wasserstoff und Metall. Dieses silikatähnliche Gerüst aus Wasserstoffketten ist es, was dem Material seine Stärke verleiht und es ermöglicht, ohne den Crush-Druck zu überleben, der es normalerweise erschafft.

Die Reise zu dieser Entdeckung begann mit einem spezifischen Ausgangspunkt: einer bereits existierenden Verbindung aus Yttrium und Eisen, die bereits etwas Wasserstoff absorbiert hatte. Das Team platzierte winzige Kristalle dieses Materials zusammen mit zusätzlichem Wasserstoffgas zwischen zwei Diamantspitzen. Sie wandten Druck an, der Werte von bis zu 90 Gigapascal erreichte, was mehr als eine Million Mal dem atmosphärischen Druck auf Meereshöhe entspricht. In diesen Tiefen werden die Atome in eine enge Umarmung gezwungen. Um ihnen zu helfen, sich in die stabilste Form umzuordnen, beschossen die Wissenschaftler die Probe mit einem Laser und erhitzten sie für einen kurzen Moment auf Temperaturen um 1.500 Grad Celsius. Diese Hitze gab den Atomen die nötige Energie, um in ihre neuen Positionen zu springen. Als sie die Probe abkühlten und die Ergebnisse überprüften, fanden sie, dass sich ein neues, distinktes Kristall gebildet hatte. Durch die mehrfache Wiederholung des Experiments und die Verwendung unterschiedlicher Drücke bestätigten sie, dass diese neue Struktur bereits ab 60 Gigapascal erzeugt werden kann.

Sobald der neue Kristall identifiziert worden war, beobachtte das Team, was geschah, als sie den Druck langsam reduzierten. In einem typischen Szenario würde ein Hochdruckmaterial in dem Moment, in dem der Druck nachlässt, sofort in einfachere Teile zerfallen. Aber Y3Fe4H20 verhielt sich anders. Es blieb intakt und behielt seine komplexe innere Ordnung bei, während der Druck bis auf Null sank. Die Wissenschaftler beobachteten den Kristall über 30 Stunden bei Normaldruck, und er zeigte keine Anzeichen eines Zerfalls. Selbst nach drei Monaten war eine Probe aus dem Experiment noch erkennbar, obwohl sie etwas von ihrem Wasserstoff verloren hatte, was dazu führte, dass ihr Volumen leicht schrumpfte. Dieser langsame, kontrollierte Verlust von Wasserstoff deutet darauf hin, dass das Material zwar nicht perfekt permanent ist, aber für eine Substanz, die unter solch extremen Bedingungen geboren wurde, bemerkenswert stabil ist. Es beweist, dass die spezifische Anordnung der Atome in diesem Superhydrid stark genug ist, um dem Drang zu widerstehen, zu seinen einfacheren Bestandteilen zurückzukehren.

Die Forscher untersuchten auch genau, wie die Atome innerhalb dieser Struktur vibrieren und interagieren. Ihre Berechnungen zeigten, dass das Material elektrisch leitfähig ist, eine notwendige Eigenschaft für Supraleitung, aber sie fanden auch, dass es unwahrscheinlich ist, dass es selbst ein Hochtemperatur-Supraleiter ist. Die Art und Weise, wie die Elektronen verteilt sind, legt nahe, dass es zwar Elektrizität leitet, dies aber nicht mit der Widerstandsfreiheit zeigt, die andere berühmte Superhydride wie LaH10 aufweisen. Die Entdeckung geht jedoch nicht um die unmittelbare Anwendung als Superleiter, sondern um den Beweis des Konzepts, den sie liefert. Sie zeigt, dass man durch das Mischen verschiedener Metalle und die Verwendung des richtigen strukturellen Bauplans Materialien mit hohem Wasserstoffgehalt erschaffen kann, die metastabil sind – das heißt, sie können in einem Zustand existieren, der nicht der stabilste mögliche ist, aber stabil genug, um lange Zeit zu bestehen. Dies öffnet die Tür zur Suche nach anderen ähnlichen Verbindungen, die diese Stabilität mit den gewünschten supraleitenden Eigenschaften kombinieren könnten.

Die Methode, mit der dieses Material gefunden wurde, bietet einen neuen Weg der Entdeckung. Anstatt sich allein auf Computervorhersagen zu verlassen, um zu erraten, welche Kombinationen von Elementen funktionieren könnten, kombinierte das Team experimentelle Synthese mit gezielter Computermodellierung. Sie ließen das Hochdruckexperiment die Form des Metallgerüsts offenbaren und nutzten dann den Computer, um die fehlenden Wasserstoffatome einzufügen. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, eine Struktur zu finden, die für aktuelle Computersuchen zu komplex wäre, da die Anzahl der Atome in der sich wiederholenden Einheit recht groß ist. Der Erfolg dieser Methode legt nahe, dass der beste Weg, die nächste Generation exotischer Materialien zu finden, darin besteht, die Hochdruckumgebung die Entdeckung leiten zu lassen und den Computer zu nutzen, um die Ergebnisse zu interpretieren, anstatt zu versuchen, sie von Grund auf neu vorherzusagen.

Mit Blick in die Zukunft dient die Struktur von Y3Fe4H20 als Vorlage für zukünftige Forschung. Da das Material auf einem spezifischen Gerüst aus verknüpften Wasserstoffketten aufgebaut ist, können Wissenschaftler nun versuchen, die Eisenatome durch andere Metalle, wie etwa Nickel, zu ersetzen, um zu sehen, ob sie die Eigenschaften anpassen können. Erste Berechnungen deuten darauf hin, dass eine solche Substitution das Potenzial des Materials für Supraleitung erhöhen könnte. Die Entdeckung dieser neuen Prototyp-Struktur verändert die Konversation von „Können wir diese Materialien herstellen?“ zu „Welche dieser Materialien können wir behalten?“. Indem sie zeigen, dass ein Superhydrid den Übergang von der tiefen Erde auf den Labortisch übersteht, liefert diese Arbeit ein greifbares Ziel für die nächste Generation der Materialwissenschaft und bringt den Traum von Raumtemperatur-Supraleitern einen Schritt näher zur Realität.