Seltsamer metallischer Zustand in wasserstoffreicher Lanthanverbindung unter Druck entdeckt

Forscher von Skoltech, der Universität Jilin und Beijing HPSTAR in China haben zusammen mit ihren deutschen Kollegen einen neuen Typ wasserstoffreichen Supraleiters synthetisiert und untersucht. Technisch gesehen Lanthansuperhydrid Typ A15, Formel La₄H₂₃Es weist Supraleitung unterhalb von minus 168 Grad Celsius und einem Druck von 1,2 Millionen Atmosphären auf. Die Forschungsergebnisse wurden im veröffentlicht Nationale wissenschaftliche Zeitschrift.

Polyhydride sind eine neue Klasse von Verbindungen, die bei etwa dem 1-Millionenfachen des normalen Atmosphärendrucks auf der Erde synthetisiert werden. Sie können einzigartige supraleitende Eigenschaften mit kritischen Rekordtemperaturen von bis zu -23 °C in Lanthandecahydrid LaH aufweisen._zehnkritische Magnetfelder bis 300 Tesla und kritische Stromdichten.

Selbst im Vergleich zu anderen ähnlichen Hydriden ist das neu entdeckte La₄H₂₃ verhält sich ungewöhnlich: Es weist in einem bestimmten Druckbereich einen negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands auf. Das heißt, anders als bei gewöhnlichen Metallen nimmt der elektrische Widerstand mit abnehmender Temperatur nicht ab, sondern steigt, wie es bei Halbleitern und vielen unkonventionellen Supraleitern wie Kupraten der Fall ist.

„Zuerst wurden Hydride des Strukturtyps A15 im Europium-Wasserstoff-System entdeckt, dann wurden sie im Barium-Wasserstoff- und Lutetium-Wasserstoff-System gefunden. In letzterem wurde das supraleitende Hydrid La gefunden₄H₂₃ gebildet. Wir führten Ab-initio-Berechnungen der thermodynamischen Stabilität dieser Strukturen durch und stellten fest, dass die gleiche Verbindung im Lanthan-Wasserstoff-System existieren sollte. Darüber hinaus muss es eine noch höhere kritische Temperatur der Supraleitung haben“, erläuterte einer der Hauptautoren der Studie, der Skoltech-Forschungsingenieur Grigoriy Shutov, ebenfalls Doktorand in Computer- und Datenwissenschaft und Ingenieurwesen, die Motivation hinter der Studie.

Lanthanhydrid synthetisiert₄H₂₃ weist weitere ungewöhnliche Eigenschaften auf. Im Allgemeinen verbreitern sich supraleitende Übergänge in Magnetfeldern erheblich. Das Magnetfeld erzeugt Inhomogenitäten in der Konzentration von Cooper-Paaren im Volumen des Supraleiters. Infolgedessen gehen einige Bereiche der Probe später in den supraleitenden Zustand über als andere, und der Übergang scheint sich über die Temperaturskala „auszubreiten“. Dies wird bei bekannten Materialien wie Magnesiumdiborid, Yttrium-Barium-Kupferoxid, Wismut-Strontium-Kalzium-Kupferoxid und anderen beobachtet.

Bei Polyhydriden wird jedoch praktisch keine Verbreiterung der supraleitenden Übergänge beobachtet, was in der experimentellen Praxis sehr praktisch ist. Dies liegt daran, dass magnetische Wirbel, auch Abrikosov-Wirbel genannt, fest mit bestehenden strukturellen Inhomogenitäten innerhalb eines Polyhydrids verbunden sind und keine zusätzlichen Störungen verursachen. Anders verhält es sich mit dem neuen Lanthan-Superhydrid: Es zeigt eine unerwartete Verengung der supraleitenden Übergänge.

Einer der Hauptautoren der Studie, Dmitrii Semenok von HPSTAR, ein Ph.D. in Materialwissenschaften und Ingenieurwesen von Skoltech, kommentierte: „Dieses ungewöhnliche Verhalten ließ uns an starke gepulste Magnetfelder denken. Wir entnahmen eine Probe aus einer Diamantambosszelle, die von unseren Kollegen an der Universität Jilin präpariert worden war, und unsere Neugier führte zu einer weiteren bemerkenswerten Entdeckung. “

In starken gepulsten Magnetfeldern von bis zu 68 Tesla wurde festgestellt, dass das neu synthetisierte Lanthan-Superhydrid einen signifikant negativen Magnetowiderstand aufweist, was auf die Existenz eines anomalen metallischen Zustands hinweist. Im Allgemeinen haben Metalle einen positiven Magnetowiderstand, da Elektronen in einem Magnetfeld längere Wege zurücklegen.

Negativer Magnetowiderstand ist sehr selten, wird aber häufig bei Kupraten und anderen unkonventionellen Supraleitern in ihrer sogenannten Pseudogap- oder Strange-Metal-Phase beobachtet. Während dieser Phase werden große supraleitende Schwankungen beobachtet, die zwar nicht ausreichen, um eine allgemeine Supraleitung zu erzeugen, die magnetischen und Transporteigenschaften des Materials jedoch merklich beeinträchtigen.

„Wir sind immer noch weit davon entfernt, alle Prozesse zu verstehen, die die Elektronentransporteigenschaften von Superhydriden bestimmen. Im Laufe der Jahre haben wir immer mehr Beweise dafür gesehen, dass Hydride in vielerlei Hinsicht unkonventionellen Supraleitern wie Cupraten oder Pniktiden ähneln, trotz der unterschiedlichen Mechanismen.“ Elektronenübertragung-elektronische Paarung“, fügte Semenok hinzu.

Hydrid-Supraleiter scheinen eine Art Brücke zu sein, die verschiedene Klassen von Supraleitern verbindet und gleichzeitig die Eigenschaften sowohl konventioneller als auch unkonventioneller Supraleiter aufweist. Die Forscher planen, weiterhin verschiedene Superhydride in starken Magnetfeldern zu untersuchen und sich dabei auf ihr Nicht-Fermi-Flüssigkeitsverhalten zu konzentrieren.