17/04/2015 - Die Geheimnisse des Superconductors Récord enthüllen

Menéame

Wissenschaftliche Donostia International Physics Center (DIPC) in Zusammenarbeit mit Forschern aus Frankreich, England, Kanada und China enthüllen mit ihren theoretischen Berechnungen den Ursprung der bisher höchsten kritischen Superleittemperatur. Die Arbeit, die diese Woche in einer der renommiertesten Physikzeitschriften veröffentlicht wurde, Physical Review Letters, erklärt, dass diese Rekordüberleitfähigkeit, die vor wenigen Monaten bei hohen Drucken in Wasserstoffsulfid gefunden wurde, auf die Wechselwirkung der Elektronen und der anammonischen Vibrationen der Atomkerne zurückzuführen ist, die das Material bilden.

Superleitfähigkeit bei Umgebungstemperatur ist eines der Ziele, die die Wissenschaftler am meisten verfolgen, aber auch eines der am stärksten hinterher. Trotz der hohen Erwartungen, die die Entdeckung der Hochtemperatur-Superleitfähigkeit bei bestimmten Kupferoxiden vor drei Jahrzehnten geweckt hat, lag die kritische Temperatur der experimentell gewonnenen Superleitfähigkeit bis vor kurzem bei 164 K, d. h. bei -110 oC. Vor kurzem wurde eine Arbeit veröffentlicht, bei der behauptet wurde, bei hohem Druck bei einer Temperatur von -83 °C (190 K) eine Superleitfähigkeit von Schwert festgestellt zu haben, wobei alle Rekorde bislang gebrochen wurden. In dieser Woche erklären ein Forscher des DIPC, Ion Errea und seine Mitarbeiter in einer theoretischen Arbeit, die in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, den Ursprung dieser Rekord-Superleitfähigkeit.

Theoretische Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass der Ursprung der Hochtemperatur-Superleitfähigkeit im Falle von Wasserstoffsulfid bei hohen Drucken nicht auf einen unbekannten Akkumechanismus zurückzuführen ist, wie es bei Kupferoxiden der Fall ist, sondern auf die Wechselwirkung der Elektronen mit den Schwingungen des Kristallnetzes des Materials, ähnlich wie bei konventionellen Niedrigtemperatur-Superleitern. Diese Arbeit, die auch vom Herausgeber der Zeitschrift hervorgehoben wurde, zielt darauf ab, die Möglichkeit zu finden, Hochtemperatur-Superleitfähigkeit in konventionellen Supraleitern mit Elektron-Vibration Verbindung.   

Die Überleitfähigkeit ist eine Eigenschaft, die einige Materialien aufweist, in den meisten Fällen bei extrem niedrigen Temperaturen, die die Widerstandsfähigkeit gegenüber Elektronenbewegung, d. h. dem Übergang von elektrischen Strömen, einstellen. Eine der interessantesten Folgen der Superleitfähigkeit und eines größeren technologischen Potenzials ist, dass man keine Energie in Form von Wärme verliert und die Energieeffizienz drastisch erhöht, indem man sich nicht gegen die Strömungen wehrt. Eine weitere mögliche Anwendung finden wir in den magnetischen Eigenschaften von Supraleitermaterialien, die zum Beispiel die Levitation ermöglichen, die bereits in Prototypen von Magnetzügen verwendet wird. Das Problem bei der Verwendung in wirklichen Anwendungen ist genau die Tatsache, dass normalerweise die Temperatur, bei der ein Material Supraleiter wird, die als kritische Superleittemperatur bezeichnet wird, in der Regel extrem niedrig ist. Daher das enorme Interesse und die Bemühungen, ein Material zu finden, das bei Raumtemperatur supraleitender ist.

Wasserstoffsulfid (H2S); auch bekannt als Wassersulfsäure; unter Standardbedingungen bei atmosphärischem Druck und Umgebungstemperatur ist es ein hochentzündliches und giftiges Gas mit einem charakteristischen Geruch fauler Eier. In Thermalquellen, Erdgas, Vulkangasen usw. vorhanden ist eine ziemlich häufige Verbindung. Nach der jüngsten Beobachtung in dieser Verbindung mit einer Rekord-Superleitfähigkeit, Errea des DIPC und der Gruppe von internationalen Partnern war das erste, was vorgeschlagen wurde, um die Stabilität und mögliche Zersetzung des H2S unter hohen Druckbedingungen zu untersuchen, da es unter Standardbedingungen stabil ist, ist es nicht bei hohem Druck. Es wird durch die Herstellung der Verbindungen HS2 und H3S zerlegt.

Der Hauptforscher der Arbeit, Ion Errea erklärt, dass "das H3S im Fall des HS2 den Übergang zum Supraleiter bei etwa 30 K (- 243 °C) passiert, weit entfernt von dem im Experiment beobachteten Wert, in einer kubischen Struktur kristallisiert, die einen riesigen Elektron-Vibrations-Komplirium aufweist, der die Ursache für die sehr hohe kritische Temperatur der gefundenen Superleitfähigkeit sein könnte." Theoretische Berechnungen zeigen, daß diese so hohe kritische Temperatur nur erklärt werden kann, wenn man bei der Beschreibung der Vibrationen der Kerne, die das kristalline Netz des H3S bilden, anormonische Effekte berücksichtigt. Denn gerade aufgrund der Anwesenheit der leichten Wasserstoffatome, die um ihre Gleichgewichte mit großer Amplitude schwingen oder vibrieren, sind die anormonischen Effekte sehr wichtig.

Die kürzliche Rekorderfassung der Hochtemperatur-Superleitfähigkeit in Wasserstoffsulfid und die theoretische Beschreibung des möglichen Ursprungs des Schwerts sind nur ein kleiner Schritt in diesem Traum von der Möglichkeit, über superleitfähige Materialien unter Umgebungsbedingungen verfügen zu können, aber sie sind ein weiterer Schritt.

Bezug Veröffentlichung

High-pressure hydrogen sulfide from first principles: A strongly anharmonic phonon-mediated superconductor. Ion Errea, Matteo Calandra, Chris J. Pickard, Joseph Nelson, Richard J. Needs, Yinwei Li, Hanyu Liu, Yunwei Zhang, Yanming Ma and Francesco Mauri. Physical Review Letters (publicado online 16/04/2015).

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