NATRIUM UND WASSERSTOFF, EIN SUPRALEITER AUF DEM PAPIER

Ein Supraleiter leitet elektrischen Strom völlig widerstandslos, unterhalb einer kritischen Temperatur, der Sprungtemperatur Tc. Bei wasserstoffreichen Materialien sind die Rekordwerte spektakulär: H₃S und LaH₁₀ werden oberhalb von 200 Kelvin supraleitend. Aber nur unter einem Druck von rund einem Megabar, etwa dem Millionenfachen des Atmosphärendrucks. Die Herausforderung besteht darin, dieselbe Leistung bei niedrigerem Druck zu erreichen.

Wasserstoff hilft, weil er leicht ist: Seine Atome schwingen mit sehr hohen Frequenzen, und diese Schwingungen können Elektronen zu den Paaren binden, die den Suprastrom tragen. In vielen der besten Hydride bildet Wasserstoff keine H₂-Moleküle mehr. Verbindungen, in denen der Wasserstoff gepaart bleibt, galten lange als schlechte Kandidaten, weil die starke Bindung innerhalb jedes Paares dessen Elektronen aus dem Spiel nimmt.

Eine Verbindung, gefunden per Suche

Tianran Chen von der University of Tennessee und Taner Yildirim vom NIST Center for Neutron Research hatten Natriumhexahydrid, NaH6, bereits bei einer Computersuche unter mehr als 100.000 wasserstoffreichen Strukturen ausgemacht. Eine unabhängige Studie hatte ebenfalls eine hohe Tc dafür vorhergesagt. Hier untersuchten sie es eingehend – ausschließlich rechnerisch:

• ein evolutionärer Algorithmus, um bei jedem Druck die günstigsten Kristallanordnungen zu finden;
• quantenmechanische Berechnungen der Elektronen, der Atomschwingungen und ihrer Kopplung, die Tc über eine Standardformel liefern;
• Molekulardynamik bei 300 Kelvin, um zu prüfen, ob die Strukturen zusammenhalten, wenn die Atome zittern.

Keine Probe wurde synthetisiert oder gemessen.

Zwei Kristalle, zwei Verhaltensweisen

Die Berechnungen zeigen eine dicht besiedelte Landschaft: Bei 50 Gigapascal sind 15 verschiedene Strukturen stabil, die meisten enge Verwandte zweier Hauptformen. In beiden sitzt der Wasserstoff in leicht gedehnten Paaren.

• Die kubische Form soll bis 230 Kelvin bei 50 Gigapascal supraleitend sein – etwa −43 °C bei einem halben Megabar – und bei 200 Gigapascal noch bei 215 Kelvin.
• Die rhomboedrische Form bleibt bis hinab zu 10 Gigapascal stabil, wo ihre vorhergesagte Tc 34 Kelvin beträgt. Drückt man sie zusammen, steigt Tc rasch: 99 Kelvin bei 50 Gigapascal, 157 bei 90, etwa 1,6 Kelvin pro Gigapascal.

Es gibt einen Haken, den die Autoren klar benennen. Bei 50 Gigapascal ist die kubische 230-Kelvin-Form nicht die stabilste Anordnung: Sie liegt etwas über der Energie, die für den Zerfall in einfacheres Natriumhydrid und Wasserstoff nötig ist. Gegen diesen Zerfall stabil wird sie erst oberhalb von 60 Gigapascal, und die beiden Formen tauschen nahe 114 Gigapascal die Plätze. In der Molekulardynamik bei 300 Kelvin bleibt die kubische Form intakt – über einige billionstel Sekunden.

Gepaarter Wasserstoff, der hilft

Der ungewöhnlichste Befund ist der Mechanismus. Die Paare blockieren die Supraleitung nicht. Jede Schwingung, die stark an die Elektronen koppelt, ist eine, die in der Raman-Spektroskopie sichtbar wäre, einer gängigen Labortechnik; die übrigen koppeln kaum. Bei der Überprüfung von 102 weiteren Hydriden bei 200 Gigapascal fanden die Autoren dasselbe Muster: Raman-aktive Schwingungen koppeln im Mittel etwa 40-mal stärker als die anderen.

In der rhomboedrischen Form kippt der Druck die Wasserstoffpaare, von 4 Grad bei 10 Gigapascal auf 21 Grad bei 90. Während sie kippen, koppeln die Schlüsselschwingungen stärker – im Gleichschritt mit der steigenden Tc, während sich die elektronische Struktur kaum ändert. Ein einfaches geometrisches Modell gibt diesen Trend wieder, doch die Autoren betonen, dass es sich um eine Deutung handelt, nicht um einen Beweis.

Vom Bildschirm ins Labor

Dies sind Vorhersagen. Die berechneten Temperaturen hängen von einem üblichen, aber justierbaren Parameter ab, und 50 Gigapascal entsprechen immer noch etwa einer halben Million Atmosphären. Sollte es sich bestätigen, würde NaH6 zeigen, dass die Ausrichtung von Wasserstoffpaaren ein neuer Stellknopf für den Entwurf von Hydrid-Supraleitern ist. Das nächste Wort haben die Experimentatoren.