Superconductivity of Tellurium Polyhydride with Tc above 90K

Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach einem Material, das Elektrizität ohne jeglichen Energieverlust leiten kann, einem Zustand, der als Supraleitung bekannt ist. Während dieses Phänomen wohlbekannt ist, erfordert es normalerweise Temperaturen, die so kalt sind, dass man sie nur in den tiefsten Weiten des Weltraums findet, was eine praktische Nutzung unglaublich schwierig macht. Die Suche hat sich vor Kurzem auf eine bestimmte Familie von Materialien konzentriert, die Polyhydride genannt werden – Verbindungen, die aus Wasserstoff bestehen, der mit anderen Elementen verbunden ist. Theoretisch bergen diese Materialien ein einzigartiges Versprechen: Wenn man sie mit ausreichendem Druck presst, werden die Wasserstoffatome so nah zusammengezwungen, dass sie beginnen, sich wie ein Metall zu verhalten, was potenziell dazu führen könnte, dass Elektrizität bei viel wärmeren Temperaturen als je zuvor frei fließen kann. Dieses Konzept der „Vorkompression“ legt nahe, dass Forscher durch das Ausüben immenser Kraft die Temperatur, die für Supraleitung benötigt wird, auf einen Punkt senken könnten, der eines Tages in der realen Welt nutzbar wäre.

Aufbauend auf dieser Idee hat ein Forscherteam nun ein neues Kapitel der Geschichte aufgeschlagen, indem es Supraleitung in einer Verbindung aus Tellur und Wasserstoff entdeckte. Tellur ist ein chemisches Element, das sich auf der rechten Seite des Periodensystems befindet, und wenn es unter extremen Bedingungen mit Wasserstoff kombiniert wird, bildet es ein Material, das Elektrizität bei einer Temperatur von etwa 91 Kelvin – was etwa -182 Grad Celsius entspricht – ohne Widerstand leitet. Obwohl dies immer noch weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt, ist es ein bedeutender Fortschritt für diese spezifische Art von Material und markt das erste Mal, dass Supraleitung in einer wasserstoffreichen Verbindung von Tellur beobachtet wurde.

Um dieses Material herzustellen, mussten die Wissenschaftler den erdrückenden Drucken nachbilden, die tief im Erdkern herrschen. Sie verwendeten eine Vorrichtung namens Diamantstempelzelle, die aus zwei winzigen Diamanten besteht, die flache Spitzen haben und zusammengedrückt werden können, um eine Probe zwischen ihnen einzuklemmen. In dieser mikroskopischen Kammer platzierten sie ein Stück Tellur und eine wasserstoffreiche Substanz namens Ammoniakboran, die sowohl als Wasserstoffquelle als auch als Medium zur Übertragung des Drucks diente. Durch Erhitzen der Probe mit einem leistungsstarken Laser auf Temperaturen um 2.000 Kelvin spalteten sie das Ammoniakboran auf, wodurch Wasserstoffgas freigesetzt wurde, das mit dem Tellur reagierte, um die neue Verbindung zu bilden. Dieser Prozess war empfindlich und schwierig; die intensive Hitze, die zur Schmiedung des Materials erforderlich war, beschädigte oft die Diamantstempel, was es schwer machte, das Experiment zu wiederholen oder das Material unter sich ändernden Drücken zu testen.

Nachdem das Material gebildet worden war, maßen die Forscher seinen elektrischen Widerstand, während sie ihn unter hohem Druck hielten und abkühlten. Sie beobachteten, dass der elektrische Widerstand der Probe mit sinkender Temperatur steil abfiel und schließlich vollständig verschwand – ein klares Zeichen dafür, dass das Material ein Supraleiter geworden war. In einer ihrer Proben trat dieser widerstandsfreie Zustand bei einer Temperatur von etwa 91 Kelvin auf. Um zu bestätigen, dass es sich hierbei tatsächlich um Supraleitung handelte und nicht bloß um eine Änderung der Materialstruktur oder des Magnetismus, wendeten sie Magnetfelder an. Sie fanden heraus, dass mit zunehmender Stärke des Magnetfeldes die Temperatur, bei der das Material supraleitend wurde, niedriger sank – ein Verhalten, das ein Kennzeichen echter Superleiter ist. Diese Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern deutete zudem darauf, dass die supraleitenden Regionen innerhalb der Probe durch schwache Bindeglieder verbunden waren, ein häufiges Merkmal bei Materialien, die aus vielen winzigen Kristallen bestehen.

Das Team wandte sich dann an einen leistungsstarken Röntgenstrahl in einer großen Forschungseinrichtung, um in das Material hineinzusehen und zu untersuchen, wie seine Atome angeordnet sind. Das von ihnen erzeugte Beugungsmuster enthüllte, dass die supraleitende Phase eine spezifische Verbindung namens TeH4 ist, bei der ein Telluratom mit vier Wasserstoffatomen verbunden ist. Die Struktur dieser Verbindung ist recht markant und zeichnet sich durch Käfige aus Wasserstoffatomen aus, die ihre Flächen miteinander teilen und ein Gitter bilden, das einer Honigwabe ähnelt. Innerhalb dieser Struktur sitzen Paare von Wasserstoffatomen eng beieinander und wirken fast wie einzelne Moleküle, die in das größere Gerüst eingeschlossen sind. Diese Anordnung stimmt mit theoretischen Vorhersagen anderer Wissenschaftler überein, die suggeriert hatten, dass genau diese Form unter solch hohen Drücken stabil und fähig zur Supraleitung wäre.

Die Entdeckung stellt Tellur-Polyhydrid neben Schwefelhydrid als eine der wenigen bekannten Chalkogen-Polyhydrid-Supraleiter. Obwohl die Forscher den Druck nicht hoch und runter zyklieren konnten, um zu sehen, wie sich das Material über einen breiteren Bereich verhält (aufgrund der Fragilität ihrer Proben), liefert die von ihnen gesammelte Datenlage eine solide Grundlage für das Verständnis, wie sich wasserstoffreiche Materialien unter extremer Belastung verhalten. Die Ergebnisse bestätigen, dass es durch das Zusammendrücken dieser Elemente möglich ist, neue Materiezustände zu erschaffen, die Elektrizität mit perfekter Effizienz bei Temperaturen leiten, die – obwohl immer noch sehr kalt – wärmer sind als die, die für herkömmliche Supraleiter erforderlich sind. Diese Arbeit erweitert die Landkarte bekannter supraleitender Materialien und bietet weitere Beweise dafür, dass das theoretische Versprechen der Hochtemperatur-Supraleitung in Polyhydriden zu einer greifbaren Realität wird.