Superhydra

Die Existenz von Superhydriden - Hydride mit einem extrem hohen Wasserstoffgehalt - wurde für planetarische Drücke vorhergesagt und kürzlich für eine Reihe von binären Systemen, wie Li-H, Al-H, Na-H, etc., experimentell nachgewiesen. SH3, das zu dieser Materialklasse gehört, brach 2014 den Rekord für die höchste supraleitende Sprungtemperatur, der zuvor von den Cupraten aufgestellt wurde, mit einer kritischen Sprungtemperatur von 203 K. Hochtemperatursupraleitung in metallischen Superhydriden wurde im Rahmen der konventionellen Migdal-Eliashberg Theorie bereits erwartet, da die hohen Phononenfrequenzen zu einer starken supraleitenden Kopplung führen. Darüber hinaus sind Superhydride auch für Anwendungen in der Wasserstoffspeicherung sehr interessant, da sie deutlich höhere Wasserstoffdichten als derzeit übliche Wasserstoffspeicher erlauben. Die hohen Drücke, die nötig sind um diese Phasen zu stabilisieren, stellen zwar klare Einschränkungen für praktische Anwendungen dar, ein kürzlich veröffentlichter Bericht über Supraleitung in PdH mit einer kritischen Temperatur von 61 K bei Umgebungsdruck deutet jedoch darauf hin, dass manche Phasen der Superhydride bei normalen Umgebungsbedingungen existieren können, was ihre wissenschaftliche Untersuchung auch für mögliche technologische Anwendungen attraktiv macht. In diesem Projekt verwenden wir ab-initio Methoden für das Vorhersagen von Kristallstrukturen, deren Thermodynamik und supraleitenden Eigenschaften, um die Phasendiagrammen bei hohen Drücken bis in den Megabarbereich von drei Klassen von Hydriden zu untersuchen: metallische Hydride, kovalente (molekulare) Hydride, und kovalent-ionische Hydride, die häufig in Wasserstoffspeichersystemen verwendet werden. Unser primäres Ziel ist die Ermittlung von neuen Hochtemperatursupraleitern bei hohen Drücken; sowie von metastabilen, wasserstoffreichen Phasen, die auch bei normalen Umgebungstemperaturen existieren können und Anwendung als Supraleiter oder Wasserstoffspeicher finden könnten. Dieses Projekt wird für die derzeitige Grundlagenforschung von großer Relevanz sein, da die Eigenschaften von wasserstoffreichen Festkörpern bei hohen Drücken in Forschungszentren auf der ganzen Welt zur Zeit intensiv untersucht werden. Darüberhinaus sind drei Arten von Vorhersagen mit bahnbrechenden Auswirkungen vorstellbar, die im vorgeschlagenen zeitlichen Rahmen realisiert werden könnten: (i) Hochtemperatursupraleitung bei Umgebungsdrücken, (ii) neue Superhydride, deren Eigenschaften vergleichbar sind mit den derzeit besten Materialien zur Wasserstoffspeicherung, und (iii) Supraleitung bei Raumtemperatur unter hohen Drücken.

Ziel des Projekts "Superhydra" ist die Entwicklung neuer Superhydrid-Supraleiter durch eine Kombination fortschrittlicher Berechnungsmethoden. Supraleiter sind Materialien, die unterhalb einer charakteristischen Temperatur, der so genannten kritischen Temperatur, Elektrizität ohne Verlust leiten (Null-Widerstand) und Magnetfelder abstoßen (perfekter Diamagnetismus). Dadurch eignen sie sich für eine Vielzahl technologischer Anwendungen, die von elektrischen Netzkomponenten über biomedizinische Sensoren bis hin zu Magnetschwebefahrzeugen reichen. Der größte limitierende Faktor für die tatsächliche Nutzung und Kommerzialisierung von Supraleitern sind ihre extrem niedrigen Betriebstemperaturen: Die meisten heute bekannten Materialien haben kritische Temperaturen, die weit unter dem Siedepunkt von Stickstoff (-196 C) liegen. Einige Monate vor Beginn unseres Projekts hatte die Gruppe von Mikhail Eremets in Mainz gerade die Entdeckung des ersten Vertreters einer völlig neuen Klasse von Supraleitern, den so genannten Superhydriden, gemeldet, die durch Komprimieren von Gemischen aus molekularem Wasserstoff und anderen Elementen auf Drücke von bis zu Millionen Atmosphären (Megabar) in einer Diamant-Ambosszelle entstehen. Superhydride weisen beispiellos hohe kritische Temperaturen auf ("nur" einige zehn Grad unter Null), was sie für die Grundlagenforschung äußerst attraktiv macht. Das Hauptziel unseres Projekts bestand darin, die Natur und den Ursprung der Supraleitung in bestehenden Superhydriden zu verstehen und neue zu entwickeln. Die computergestützten Methoden zur quantenmechanischen Simulation von Materialeigenschaften haben eine Genauigkeit erreicht, die es erlaubt, alle Aspekte der äußerst komplexen Experimente, die zur Synthese dieser faszinierenden Materialien und zur Messung ihrer supraleitenden Eigenschaften erforderlich sind, am Computer zu simulieren. Mit diesen Methoden hat sich unsere Gruppe nach und nach einen anerkannten internationalen Ruf erworben, indem sie die wichtigsten Entwicklungen in diesem sich schnell entwickelnden Bereich verfolgt und in einigen Fällen sogar vorweggenommen hat. Zu den wichtigsten Höhepunkten unseres Projekts gehören die erste vollständig mikroskopische Berechnung der supraleitenden Eigenschaften der neu entdeckten sodalite-clathrate hydrides, die erste Berechnung vollständiger ternärer Phasendiagramme von ternären Hydriden unter Druck und der Vorschlag eines neuen Mechanismus zur Erzielung von Hochtemperatur-Superhydriden nahe der Raumtemperatur unter Ausnutzung der chemischen Vorkompression in ternären Hydriden. Zusätzlich zu den Materialentdeckungen haben wir in unserem Projekt eine Reihe von Berechnungswerkzeugen und Arbeitsabläufen entwickelt, um große Datenbanken mit Berechnungsdaten für die Materialentdeckung zu erstellen und zu verarbeiten, die neben der Supraleitung auch auf andere Probleme angewendet werden können.