Hoher Druck macht Wasserstoff metallisch

Gewöhnlich haben Wasserstoffmoleküle mit einem Metall so viel gemeinsam wie eine Salve Konfetti mit einem Buch. Und sie zu einem metallischen Leiter zu machen, ist auch etwa so schwierig wie Papierschnipsel zu bedruckten Seiten zusammenzusetzen. Aber genau das ist Forschern des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz gelungen.

Sie haben Wasserstoff bei 25 Grad Celsius unter Druck gesetzt, solange bis auf ihrer Probe mehr als drei Megabar lasteten – das entspricht dem drei millionenfachen des Atmosphärendrucks. Dabei entdeckten sie zunächst einen bislang unbekannten Zustand des Wasserstoffs: Oberhalb von 2,2 Megabar verhielt sich der Wasserstoff wie ein Halbleiter. Bei etwa 2,7 Megabar nahm das Element metallische Eigenschaften an, und damit bei deutlich niedrigerem Druck als theoretisch vorhergesagt. Diese Beobachtungen helfen Physikern, die fundamentalen Eigenschaften der Materie zu ergründen und könnten eine Spur zu Materialien mit neuen Eigenschaften legen.

Metallischer Wasserstoff dürfte selbst den meisten Chemikern kaum bekannt sein, aber Wasserstoff ist mit Metallen chemisch recht verwandt. Denn Wasserstoff gehört zur selben Gruppe chemischer Elemente wie die Alkalimetalle Lithium, Natrium und Kalium. Allerdings existiert er auf der Erde normalerweise nur in Form zweiatomiger Moleküle. An manchen Orten im Weltall ist das anders. So dürfte er im Inneren des Jupiters als Metall vorliegen. Das vermuten Astrophysiker jedenfalls und führen darauf das starke Magnetfeld des Planeten zurück.

„Die Eigenschaften des Wasserstoffs, so wie er etwa im Jupiter existieren könnte, ist ein Grund für unsere Hochdruck-Experimente“; sagt Mikhail Eremets. Gemeinsam mit Ivan Troyan hat er das Element in einem Labor am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz in die metallische Form gezwungen. Zu diesem Zweck haben sie den Wasserstoff einem extrem hohen Druck ausgesetzt, wie er etwa im Inneren von Planeten und Sternen herrscht. Sie füllten den Wasserstoff in eine Mulde in einer Dichtung, die sich zwischen zwei Miniatur-Ambossen aus Diamant befand. Nun pressten Eremets und Troyan die Diamantambosse zusammen. Dabei beobachteten sie das Element mit einem Ramanspektrometer, das ihnen durch die Streuung von Licht Informationen über die räumliche Anordnung der Wasserstoffmoleküle liefert.

Bei einem Druck von rund 230.000 Bar erstarrte der Wasserstoff zu einem Festkörper, seine Moleküle blieben dabei jedoch erhalten. Sobald 2,2 Megabar auf der Probe lasteten, registrierten die beiden Forscher mit Hilfe der Spektren, dass sich die Struktur des Elementes änderte. Gleichzeitig wurde der Wasserstoff zum Halbleiter, wie die Forscher in Messungen der Leitfähigkeit feststellten. „Dieser Halbleiter-Zustand war bislang unbekannt“, sagt Mikhail Eremets. „Auch in Berechnungen, wie sich Wasserstoff bei hohen Drücken verhält, haben Theoretiker dafür bislang keine Anzeichen gefunden.“

Möglicherweise wird Wasserstoff sogar zum Supraleiter

Als die Forscher den Druck auf die Probe weiter erhöhten, stieg die Leitfähigkeit des Wasserstoffs allmählich, bis sie bei 2,7 Megabar auf das Tausendfache sprang. Diesen Sprung hatten Rechnungen erst bei fast vier Megabar vorhergesagt. „Der genaue Leitfähigkeitswert liegt aber möglicherweise noch höher “, sagt Ivan Troyan. Unter diesem Druck könnten in der Probe auch Protonen entstehen, die an den Messelektroden der Apparatur eine Art elektrische Sperrschicht aufbauen. Diese bewirkt, dass die Messungen zu niedrige Werte ergeben. „Dieses Problem wollen wir in weiteren Untersuchungen umgehen, indem wir die Leitfähigkeit mit einer Wechselspannung von sehr hoher Frequenz messen.“

Mit den präziseren Messungen möchten die Forscher noch mehr darüber herausfinden, was genau in ihrer Probe bei 2,7 Megabar passiert. Derzeit gehen die Mainzer Wissenschaftler davon aus, dass Wasserstoff bei diesem Druck zu einem metallischen Leiter wird. Möglicherweise leitet Wasserstoff unter diesen Bedingungen aber sogar wie ein Supraleiter, transportiert einen elektrischen Strom also völlig ohne Widerstand. Und dass bereits bei Raumtemperatur – anders als alle bekannten Supraleiter, die mehr oder weniger stark gekühlt werden müssen.

Kann Wasserstoff gleichzeitig suprafluid und supraleitend sein?

„Vielleicht haben wir das in unseren bisherigen Untersuchungen nur noch nicht messen können“, sagt Ivan Troyan. Das ist aber nicht die einzige Unklarheit die die Mainzer Forscher noch beseitigen wollen: „Es könnte sein, dass Wasserstoff bei mehr als 2,7 Megabar nicht als metallischer Festkörper vorliegt, sondern als metallische Flüssigkeit wie Quecksilber “, sagt Mikhail Eremets. Und dabei könnte es sich um eine ganz besondere Flüssigkeit handeln: um eine Quantenflüssigkeit. Eine solche Quantenflüssigkeit heißt auch Suprafluid; zu ihren sonderbaren Eigenschaften gehört, dass sie ohne Reibung fließt.

„Es könnte sogar sein, dass Wasserstoff unter bestimmten Bedingungen gleichzeitig supraleitend und suprafluid wird“, sagt Mikhail Eremets. Bislang ist noch kein Stoff bekannt, der die beiden erstaunlichen Quanteneffekte gleichzeitig zeigt und sowohl ohne Widerstand Strom leitet als auch ohne Reibung fließt. „Das macht die Untersuchung von Wasserstoff bei extremem Druck für uns so interessant.“

Die Entdeckung, dass Wasserstoff bei hohem Druck elektrisch leitend wird, stellt also einen ersten Schritt auf einem längeren Weg dar. Auf dem könnten die Forscher noch einige Eigenschaften des Elementes entdecken, die noch exotischer sind als seine elektrische Leitfähigkeit.

Hintergrund
Phasendiagramme unter hohem Druck
Ein Phasendiagramm gibt Aufschluss, welche Eigenschaften eine Substanz wie etwa elementarer Wasserstoff bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck annimmt – es gleicht einer Karte der Stoffeigenschaften. Diese Karte zeichnen Forscher, indem sie die Merkmale eines Stoffs unter verschiedenen Bedingungen bestimmen. Zu diesem Zweck messen sie die Stoffeigenschaften im Labor, stellen dazu aber auch Rechnungen an. Bei moderaten Drücken ist das mehr oder weniger problemlos möglich, bei extrem hohen Drücken stoßen jedoch sowohl Experimentatoren als auch Theoretiker an die Grenzen des Machbaren. Daher weist etwa das Phasendiagramm des Wasserstoffs bei hohen Drücken viele Lücken und Mehrdeutigkeiten auf.

Immerhin haben die Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemie nun einen Teil der experimentellen Herausforderungen gemeistert. Dazu gehört, dass Wasserstoff in Studien bei sehr hohem Druck bisher in die Diamant-Ambosse gepresst wurde. Das haben die Mainzer Wissenschaftler verhindert, indem sie die Diamantoberfläche mit einer sehr dünnen, durchscheinenden Metallschicht überzogen. So konnten sie ihre Probe einem Druck von bis zu 3,3 Megabar aussetzen – das ist der höchste Druck, dem Wasserstoff bislang in einem Labor ausgesetzt wurde.

Um ihre Messergebnisse besser interpretieren zu können, brauchen die Experimentatoren die Hilfe von Theoretikern. Bisher lieferten deren Rechnungen für Drücke oberhalb von zwei Megabar allerdings kaum sinnvolle Ergebnisse. Daher extrapolieren Theoretiker die berechneten Kurven aus dem Bereich gemäßigten Drucks in den Bereich extrem hoher Drücke. Bei den Daten, die sie so erhielten, handelt es sich jedoch allenfalls um gut begründete Schätzungen. Im Fall von Wasserstoff gibt es eine Ausnahme: Ein Forscherteam aus Frankreich, Spanien und Italien berechnete für 3,3 Megabar und 100 Grad Celsius ein zuverlässiges Ergebnis. Demnach befindet sich Wasserstoff unter diesen Bedingungen in einem flüssigen Zustand. Die Rechnung für diesen einzelnen Punkt dauerte allerdings zwei Jahre.

Originalveröffentlichung:
M. I. Eremets and I. A. Troyan
Conductive dense hydrogen
Nature Materials, 13 November 2011 (online)
Kontakt:
Dr. Mikhail Eremets
Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz
Telefon: +49 6131 305-312
E-Mail: m.eremets@mpic.de