Hochdruck-Chemie und Physik

Diamanden-Amboss bei Rekorddrücken von 4.4 Millionen atm. Am höchsten Druckpunkt im Zentrum ist der Diamand rötlich. Bild: M. Eremets, MPI für Chemie

Arbeitsgruppe Dr. Mikhail Eremets

Unsere Gruppe untersucht Materie unter extrem hohem Druck. Vor kurzem konnten wir statische Rekorddrücke von 440 GPa erzielen, was 4.4 Millionen Atmosphären entspricht und den Druck im Erdinneren (360 GPa) übertrifft. Kernstück unserer Arbeiten ist eine spezielle Diamantstempelzelle. Der Druck wird zwischen den Spitzen von zwei Diamanten-Ambossen generiert. Diese Miniatur-Anlage kann mit Geräten wie einer Laser-Heizung, Kryostaten, Magneten und Röntgenquellen ergänzt werden.

Extrem hohe Drücke können zu dramatischen Stoff-Transformationen führen. Wir konnten beispielsweise molekularen Stickstoff in ein Polymer umwandeln, in dem alle Atome über einzelne kovalente Bindungen verknüpft sind. Dieses polymere Stickstoff-Material ist ähnlich hart wie ein Diamant. Es ist vor allem wegen seines Energiegehalts interessant, der höher ist als alle bekannten nicht-nuklearen Substanzen. Zurzeit suchen wir nach anderen Formen von polymerem Stickstoff, die bei niedrigen und somit einfacher zu handhabbaren Drücken synthetisiert werden können.

Derzeit konzentrieren wir uns auf dichten Wasserstoff. Man nimmt an, dass sich molekularer Wasserstoff unter hohem Druck in ein Metall verwandelt. Dieses einfachste Metall wird als „Heiliger Gral“ der Hochdruck-Physik betrachtet, da man erwartet, dass es als Hochtemperatur- oder sogar als Supraleiter bei Zimmertemperatur fungiert. Metallischer Wasserstoff könnte einen neuen Quantenzustand haben: das metallische und supraleitende Superfluid von Deuterium. Als ein Hauptbestandteil in riesigen Planeten und Sternen ist metallischer Wasserstoff auch für die Astrophysik bedeutsam.

Wir untersuchten die Schmelzkurve von Wasserstoff und konnten ein Maximum zeigen. So unterstützt unser Ergebnis Vorhersagen, dass metallischer Wasserstoff ähnlich wie flüssiges Helium zu einer Quanten-Flüssigkeit bei 0˚Kelvin werden könnte. Wir konnten auch die Supraleitfähigkeit von Silanen, Wasserstoff-reichen Materialen, die ähnliche Eigenschaften wie reiner Wasserstoff haben, nachweisen. Die direkte Metallisierung erfordert Drücke von etwa 400 GPa, die wir vor kurzem erzielen konnten.

Unsere Arbeit wird seit 2011 durch einen Advanced Grant des European Research Council in Höhe von € 1,9 Millionen unterstützt.