Suche nach supraleitenden icosaedrischen Hydriden durch Abstimmung der Koordinationszahl

Warum das für zukünftige Technologien wichtig ist

Supraleiter — Materialien, die Strom ohne Widerstand leiten — könnten Stromnetze, medizinische Scanner und sogar zukünftige Computer grundlegend verändern. Die meisten bekannten Supraleiter funktionieren jedoch nur bei extrem niedrigen Temperaturen oder unter sehr hohem Druck. Diese Studie untersucht einen neuartigen, cleveren Ansatz zur Gestaltung von supraleitenden Materialien aus Wasserstoff und Metallen, mit dem Ziel, ihre Betriebstemperaturen zu erhöhen und die erforderlichen Drücke zu verringern. Durch das gezielte Arrangieren der Anzahl an Wasserstoffatomen um ein schweres Metallatom zeigen die Autorinnen und Autoren, wie man Supraleitung in neuen Verbindungen „einbauen“ kann.

Supraleiter‑Kandidaten wie molekulares Lego zusammenbauen

Die Forschenden konzentrieren sich auf eine Materialfamilie, die als Hydride bekannt ist und reich an Wasserstoff ist. Wasserstoff ist leicht und schwingungsfreudig — Eigenschaften, die Supraleitung begünstigen, wenn Elektronen mit diesen Schwingungen wechselwirken. Statt tausende Kombinationen zufällig zu testen, beginnen die Autorinnen und Autoren mit einer bekannten Verbindung, BaReH9, in der Rhenium (Re) von neun Wasserstoffatomen in einem klar definierten Cluster umgeben ist. Systematisch fragen sie dann: Was passiert, wenn wir mehr Wasserstoff um das Rhenium packen und die Verknüpfung dieser Atome verändern? Dieses Gestaltungsprinzip — die Abstimmung der Anzahl benachbarter Atome, die sogenannte Koordinationszahl — wirkt wie ein struktureller Drehregler für supraleitendes Verhalten.

Entdeckung eines Zwölf‑Wasserstoff‑Käfigs mit starken Effekten

Mithilfe fortgeschrittener Computersimulationen bei sehr hohen Drücken kartieren die Autorinnen und Autoren, welche Kombinationen aus Barium (Ba), Rhenium und Wasserstoff stabil sind. Sie identifizieren mehrere vielversprechende Verbindungen, darunter Ba2ReH8 und vor allem BaReH12. In BaReH12 bei etwa 100 Milliardenfach atmosphärischem Druck (100 GPa) ist jedes Rheniumatom von 12 Wasserstoffatomen in einem nahezu perfekten icosaedrischen Käfig umgeben. Diese hochsymmetrische Struktur bildet eine besondere Einheit, geschrieben als [ReH12]2−, die wie ein Baustein für Supraleitung wirkt. Die Rechnungen zeigen, dass diese Verbindung bei Temperaturen um etwa 128 Kelvin supraleitend werden kann — mehr als halbwegs vom absoluten Nullpunkt bis zur Raumtemperatur und bemerkenswert hoch für ein chemisch so einfaches System.

Wie zusätzliche Elektronen und sanfte Wasserstoff‑Bindungen helfen

Über die Geometrie hinaus erweist sich die Elektronenzahl innerhalb jeder Wasserstoff‑Metall‑Einheit als entscheidend. Einheiten mit einer ungeraden Anzahl von Elektronen neigen dazu, metallisch zu sein, das heißt ihre Elektronen bewegen sich frei — eine wesentliche Voraussetzung für Supraleitung. BaReH12 besitzt eine solche ungerade Elektroneneinheit, was seine Leitfähigkeit unterstützt. Gleichzeitig bilden die Wasserstoffe zwischen benachbarten Käfigen keine sehr starken Bindungen; sie sind gerade stark genug, um zu interagieren, aber nicht so fest, dass die elektronischen Zustände starr werden. Diese Kombination — ungerade Elektronenzahl, hohe Symmetrie und relativ schwache Wasserstoff‑Wasserstoff‑Bindungen — erzeugt eine starke Kopplung zwischen Elektronen und atomaren Schwingungen, den Mechanismus, der der konventionellen Supraleitung in diesen Hydriden zugrunde liegt.

Wenn mehr Druck zu viel wird

Bei weiter steigendem Druck beginnt der ordentliche 12‑Wasserstoff‑Käfig sich zu verformen. In einer Hochdruckform von BaReH12 werden vier Wasserstoffatome zwischen benachbarten Rheniumzentren geteilt, wodurch die Koordinationszahl auf 14 ansteigt und die Symmetrie sinkt. Diese strukturelle Änderung schwächt die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Schwingungen und lässt die supraleitende Übergangstemperatur auf etwa 40 Kelvin fallen. In ähnlicher Weise hat eine andere Verbindung, Ba2ReH8, eine andere Wasserstoffhülle und zusätzliche Bariumatome, die die Wasserstoffkäfige weiter auseinanderdrücken. Auch sie wird supraleitend, jedoch nur in der Nähe von 19 Kelvin. Diese Vergleiche zeigen, wie empfindlich Supraleitung auf subtile Änderungen in der atomaren Anordnung reagiert.

Einfache Regeln zur Gestaltung besserer Supraleiter

Insgesamt schlägt die Studie ein klares Rezept zur Entdeckung neuer hochtemperaturiger Hydrid‑Supraleiter vor. Beginnen Sie mit Wasserstoff‑und‑Metall‑Einheiten, die eine ungerade Elektronenzahl tragen, umgeben Sie sie mit positiv geladenen Atomen wie Barium, die Elektronen spenden und die Struktur stabilisieren, und streben Sie hochsymmetrische Käfige mit sanft gebundenen Wasserstoffatomen zwischen ihnen an. Indem Wissenschaftler diese Wasserstoffkäfige als einstellbare Bausteine behandeln, erhalten sie ein mächtiges neues Werkzeug zur Erforschung von Materialien, die eines Tages bei praktischen Temperaturen und weniger extremen Drücken supraleitend sein könnten — und damit Anwendungen von verlustfreier Stromübertragung bis zu kompakteren Magneten näher an die Realität bringen.

Zitation: Song, H., Du, M., Zhang, Z. et al. Search for superconducting icosahedral hydrides via coordination number engineering. Commun Phys 9, 59 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02494-x

Schlüsselwörter: supraleitende Hydride, Hochdruckmaterialien, wasserstoffreiche Verbindungen, Koordinationszahl‑Engineering, BaReH12