Universität Bayreuth, Pressemitteilung Nr.030/2024, 14.03.2024

Bayreuther Forscher*innen haben neue Yttrium-Wasserstoff-Verbindungen entdeckt

Forscher*innen der Universität Bayreuth ist mit der Entdeckung neuer Yttrium-Wasserstoff-Verbindungen ein bedeutender wissenschaftlicher Durchbruch gelungen, der für die Erforschung der Hochdrucksupraleitung von großer Bedeutung ist. Unter Hochdruck-Supraleitung versteht man die Eigenschaft von Materialien, unter bestimmten Druckbedingungen supraleitend zu werden, d.h. elektrischen Strom ohne Widerstand zu leiten. Die umfassende Hochdruckstudie der Bayreuther Forschenden, die die komplexe Natur von Yttriumhydriden unter extremen Bedingungen beleuchtet, wurde in der Zeitschrift "Science Advances" veröffentlicht.

What for?

Die Forschungsergebnisse des Bayerischen Geoinstituts (BGI) der Universität Bayreuth haben Auswirkungen auf verschiedene Bereiche: Die Entdeckung neuer Yttrium-Wasserstoff-Verbindungen und die umfassende Hochdruckuntersuchung geben einen Einblick in die komplexe Natur dieser Materialien unter extremen Bedingungen. Dies trägt dazu bei, unser Verständnis des Materialverhaltens bei hohem Druck weiter zu entwickeln. Mehrere Seltene-Erden-Superhydride könnten auch zu einer Revolution bei der Energieübertragung und -speicherung führen. Die Identifizierung neuer Yttriumhydride und das Verständnis ihrer Struktur und Zusammensetzung unter extremen Bedingungen könnte die Entwicklung von Hochtemperatursupraleitern vorantreiben. Insgesamt haben diese Ergebnisse das Potenzial, unser Verständnis von Materialien unter extremen Bedingungen zu vertiefen und die Entwicklung von Technologien voranzutreiben, die von neuen supraleitenden Materialien profitieren können.

Doktorandin Alena Aslandukova bei der Vorbereitung einer Diamant-Ambosszelle unter dem Mikroskop im Labor.

Mehrere Seltene Erden-Superhydride sind dafür bekannt, dass sie bei hohem Druck nahezu bei Raumtemperatur supraleitend sind. Supraleitende Materialen ermöglichen den Stromfluss ohne jeglichen Widerstand. In den meisten Fällen sind sie Produkte chemischer Reaktionen, die in Diamant-Ambosszellen bei extremen Drücken und Temperaturen durchgeführt werden. Ihre Phasen- und chemische Zusammensetzung ist oft nicht bekannt, so dass die Behauptung der Supraleitfähigkeit nicht ganz gerechtfertigt ist, da die messbare kritische Temperatur TC (die Temperatur, unter der der elektrische Widerstand des Materials auf Null fällt) von vielen Faktoren abhängt, darunter die Phasenreinheit der Probe und der Wasserstoffgehalt in den Hydriden. Daher wird die Existenz von Hochdruck-Supraleitern in der Nähe der Raumtemperatur immer noch geprüft.

Der Einsatz der modernen Methode der sogenannten Synchrotron-Einkristall-Röntgenbeugung an mehrphasigen mikrokristallinen Proben, die in der Gruppe von Prof. Natalia Dubrovinskaia und Prof. Leonid Dubrovinsky an der Universität Bayreuth entwickelt wurde, ermöglichte es, die chemische Komplexität und den Reichtum des Yttrium-Wasserstoff-Systems unter Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen zu entschlüsseln. Bei Drücken bis zu etwa 170 GPa identifizierten die Doktorandin Alena Aslandukova (Abb. 1) und ihre Mitautoren fünf neue Yttriumhydride mit einzigartigen Strukturen. Diese Verbindungen wurden in Diamant-Ambosszellen durch Lasererwärmung von Y-H-Proben (Yttrium mit wasserstoffreichem Ammoniakboran oder Paraffinöl) auf bis zu 3500 K synthetisiert.

Die Einkristall-Röntgenbeugung liefert wertvolle Erkenntnisse über die Anordnung der Yttriumatome in den Kristallstrukturen dieser neu entdeckten Phasen (Abb. 2). Der Wasserstoffgehalt wurde anhand empirischer Beziehungen und ab initio-Berechnungen geschätzt, die die spezifische Zusammensetzung für jede Verbindung ergaben, was auf den Reichtum des Y-H-Systems und die Vielfalt der Yttriumhydride unter Hochdruckbedingungen hinweist.

"Die Studie unterstreicht die Komplexität des Yttrium-Wasserstoff-Systems und seinen mehrphasigen Charakter bei hohem Druck", erklärt Alena Aslandukova. "Die Ergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zu unserem Verständnis des Materialverhaltens unter extremen Bedingungen und der Art der potenziell supraleitenden Hydride."

Die Kristallstrukturen von zwei Yttriumhydriden mit den chemischen Formeln Y4H23 (oben) und Y3H11 (unten). Die Yttriumatome sind grün, die miteinander verbundenen Wasserstoffatome sind hellrosa.

Veröffentlichung:

Aslandukova A. Aslandukov A., Laniel D., Yin Y., Akbar F. I., Bykov M., Fedotenko T., Glazyrin K., Pakhomova A., Garbarino G., Bright E. L., Wright J., Hanfland M., Chariton S., Prakapenka V., Dubrovinskaia N., and Dubrovinsky L., Diverse high-pressure chemistry in Y–NH3BH3 and Y–paraffin oil systems, 2024, Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.adl5416

Prof. Dr. Natalia Dubrovinskaia

Prof. Dr. Dr. h.c. Natalia Dubrovinskaia

Materialphysik und Technologie unter extremen Bedingungen
Labor für Kristallographie
Universität Bayreuth

Telefon: +49 (0)921 / 55-3880
E-Mail: natalia.dubrovinskaia@uni-bayreuth.de

Jennifer Opel

Jennifer Opel (im Mutterschutz / Elternzeit)Stellv. Pressesprecherin

Telefon: +49 (0)921 / 55-5357
E-Mail: jennifer.opel@uni-bayreuth.de