07.10.2004

Metallisch, supraleitend und superflüssig

Im Inneren des Planeten Jupiter gibt es festen, atomaren Wasserstoff. Theoretische Physiker haben nun dessen Eigenschaften abgeschätzt.


Metallisch, supraleitend und superflüssig

Im Inneren des Planeten Jupiter gibt es festen, atomaren Wasserstoff. Theoretische Physiker haben nun dessen Eigenschaften abgeschätzt.

Livermore/Trondheim - Vertraut ist Wasserstoff als Gas und viel versprechender Energieträger. Doch unter extremen Bedingungen kann das leichteste aller Elemente in den flüssigen und gar festen Zustand übergehen. Wegen seines neutronenlosen Atomkerns erwarten die Forscher hier einzigartige Quanteneffekte von der Supraleitung bis zur Superfluidität. Amerikanische und norwegische Physiker schätzten nun theoretisch diese Eigenschaften und die Schmelzkurve von festem, atomarem Wasserstoff ab. So erwarten sie bei rund vier millionenfachen Atmosphärendrücken (400 Gigapascal) einen Übergang von fest zu flüssig.

Im Inneren des Planeten Jupiter herrschen solche Drücke vor, dass Wasserstoff dort in allen Aggregatzuständen vorkommt - auch als fester, metallischer Wasserstoff. (Quelle: NASA/NSSDC)


„Wenn fester molekularer Wasserstoff komprimiert wird, bildet er zuerst eine tiefkalte Quantenflüssigkeit bevor er zu einem Kristall aus Wasserstoffatomen wird“, fassen Stanimir A. Bonev und seine Kollegen von der University of California in Livermore ihre Simulationsergebnisse zusammen. Ausgehend von den bekannten Parametern für festen molekularen Wasserstoff nutzten sie ab-initio-Molekular-Dynamik-Berechnungen. Dissoziieren diese Moleküle unter anwachsendem Druck, soll Wasserstoff erst wieder flüssig und danach abermals in eine feste Phase aus Kristallen mit einzelnen Atomen übergehen können. An diesem Punkt offenbaren sich wahrscheinlich auch die metallischen Eigenschaften des Elements, die wegen seiner Spitzenposition in der Ersten Hauptgruppe des Periodensystems mit denen der Alkalimetalle vergleichbar sein könnten.

Dass Wasserstoff auch metallische Eigenschaften haben kann wurde bereits in der 1930er Jahren von Eugene Wigner vorhergesagt, konnte aber erst vor wenigen Jahren experimentell bestätigt werden. Allerdings muss für die bisher bekannten metallischen und festen Phasen bei rund 44 Gigapascal von molekularem Wasserstoff und nicht von kristallisierten Atomen ausgegangen werden.

Zusätzlich zu der Schmelzkurve von atomarem Wasserstoff untersuchten Egor Babaev und seine Kollegen von der Technischen Universität im norwegischen Trondheim das metallische Verhalten des Elements genauer. „Jüngste Studien zur Schmelzkurve von Wasserstoff legen nahe, dass stark komprimierter Wasserstoff in einen flüssigen Zustand übergehen wird“, so Babaev. In dieser Phase vermutet er einen Isolator-Metall-Übergang und wähnt sogar die Möglichkeit für einen neuen Materiezustand. Das wäre ein flüssiges Metall mit einer bisher unbeobachteten Quantenstruktur. Nach seinen Berechnungen könnte diese metallische Flüssigkeit in einem magnetischen Feld in verschiedenen Phasen existieren. Sowohl supraleitende als auch superfluide Zustände, in denen keine Reibung auftritt, wären laut Babaev denkbar.

Ob diese theoretischen Vorhersagen schon bald im Experiment bestätigt oder widerlegt werden können bleibt wegen der notwendigen, extremen Drücke fraglich. Dennoch schlagen Bonev und Kollegen einen Weg vor, den Übergang von festem, molekularem Wasserstoff zu der atomaren Quantenflüssigkeit zu messen. Während dieses Phasenübergangs erwarten sie einen intermolekularen Ladungstransfer, der sich auf das Absorptionsverhalten im Infraroten auswirken sollte. So müsste die Wärmestrahlung von dem komprimierten, flüssigen Wasserstoff deutlich stärker aufgenommen werden können.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

Weitere Literatur:

  • Jaffe, J. & Ashcroft, N.W., Superconductivity in liquid metallic hydrogen, Phys. Rev. B 23, 6176 (1981). 
  • Hemley, R. J. & Mao, H.-K., Dense molecular hydrogen; order, disorder and localization, J. Non.-Cryst. Solids 205, 282 (1996). 
  • Ashcroft, N. W., The hydrogen liquids, J. Phys. A 12, A129

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