Wissenschaftler:innen der Sapienza University of Rome, der Sorbonne University, des CNRS und der International School for Advanced Studies (SISSA) haben eine Studie durchgeführt, die sich mit dem Verhalten und den Eigenschaften von Wasserstoff unter hohem Druck befasst. Ihr Artikel, der in Nature Physics veröffentlicht wurde, beschreibt ein genaueres Phasendiagramm von Wasserstoff bei hohem Druck, das dazu beitragen könnte, den bisher unerreichbaren atomaren metallischen Wasserstoff zu erzeugen.
Physiker und Materialwissenschaftler:innen versuchen seit vielen Jahrzehnten, Wasserstoff zu metallisieren, aber es ist ihnen bisher nicht gelungen. 1968 sagte der britische Physiker Neil Ashcroft voraus, dass atomarer metallischer Wasserstoff ein Halbleiter bei hoher Temperatur sein würde.
Neuere Studien haben auch darauf hingewiesen, dass diese schwer fassbare und hypothetische Form von Wasserstoff keinen elektrischen Widerstand aufweisen würde, wenn ihre Temperatur höher als die von kochendem Wasser wäre. Diese Vorhersage ebnete letztendlich den Weg zur Entdeckung der Hochtemperatursupraleitung in Hydriden (d.h. Verbindungen aus Wasserstoff und einem Metall).
Die zuverlässige Untersuchung des Verhaltens und der Eigenschaften von Wasserstoff unter hohem Druck ist eine Herausforderung, da die notwendigen Experimente schwierig durchzuführen sind und herkömmliche Simulationswerkzeuge oft unzuverlässige Ergebnisse liefern. Die Forscher:innen nutzten fortgeschrittene Computerwerkzeuge, um ein Phasendiagramm von Wasserstoff und Deuterium bei niedrigen Temperaturen und hohem Druck zu erstellen.
„Bei solch hohem Druck sind viele verschiedene molekulare Phasen stabil“, erklärt Michele Casula, einer der beteiligten Forscher:innen. „Es ist paradox und faszinierend zu entdecken, wie komplex das Phasendiagramm trotz der Einfachheit seines elementaren Bausteins ist, der nur aus einem Proton und einem Elektron besteht. In gewisser Weise ist es ein besonders signifikantes Beispiel für Phill Andersons berühmtes Motto: ‚Mehr ist anders‘.“
Die Wissenschaftler:innen konnten mithilfe dieser hochmodernen Rechenmethoden eines der genauesten Phasendiagramme von hochdruckversiegeltem Wasserstoff erstellen, das bisher verfügbar ist. Insbesondere zeigten sie, dass die experimentell schwer fassbare atomare metallische Wasserstoffphase bei 577(4) GPa gebildet werden sollte, nach einer anderen Stufe, in der molekularer Wasserstoff von einer metallischen Phase (Phase III) zu einer anderen Phase übergeht, in der Wasserstoff metallisch und dennoch molekular ist (Phase VI).
„Die umfassende Charakterisierung dieses Materials bei ultra-hohem Druck, die unsere Arbeit bietet, legt nahe, dass die atomare Phase, von der angenommen wird, dass sie ein Raumtemperatur-Supraleiter ist, experimentell bei viel höheren Drücken gesucht werden muss als bisher angenommen“, erklärt Casula. „Darüber hinaus ermöglichte unsere Studie die Interpretation jüngster experimenteller Ergebnisse, die scheinbar widersprüchlich waren, da Forscher das Kristallgitter bei solch hohem Druck indirekt untersuchen können.”
Das neue Phasendiagramm von hochgedrücktem Wasserstoff, das dieses Team von Forscher:innen berechnet hat, legt nahe, dass Wasserstoff allmählich metallische Eigenschaften annimmt, wenn der Druck steigt. Es zeigt auch, warum vorherige Experimente möglicherweise keinen Erfolg hatten, um atomaren metallischen Wasserstoff zu erhalten, nämlich weil die in den Experimenten getesteten Drücke nicht hoch genug waren.
Die Arbeiten der Forscher:innen könnten zukünftige Forschungsbemühungen bei der Beobachtung von Wasserstoff in seiner atomaren metallischen Phase informieren. Darüber hinaus planen die Forscher:innen, detaillierte Charakterisierungen anderer supraleitender Hydride mit denselben Rechenwerkzeugen wie in ihrer j
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