Schwache Wechselwirkungen unter Druck: hp-CuBi und seine Analoga

11. April 2017

Metallische Materialien sind ein unverzichtbarer Teil unseres täglichen Lebens, da sie vielfältige Funktionen erfüllen. Normale Metalle zeichnen sich durch ihre ausgeprägte Tendenz aus, eine große Bandbreite von Legierungen und Verbindungen zu bilden.  Eine bemerkenswerte Ausnahme stellen hier schwere Hauptgruppenmetalle wie das Bismut dar, die sich am unteren Ende des Periodensystems befinden. Ihnen fehlt die chemische Reaktivität vollständig, wenn sie mit üblichen Übergangsmetallen wie Kobalt oder Kupfer gemischt werden.   Dieser Nachteil schränkt ihr Anwendungspotenzial stark ein, obwohl sie oft faszinierende Eigenschaften besitzen. Ein Beispiel für ein solch herausragendes Merkmal ist ihre ausgeprägte Spin-Bahn Aufspaltung auf Grund relativistischer Effekte, welche die elektronischen Energien grundlegend verändern.

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe konnten dieses Hindernis überwinden und die Bildung der Verbindungen CuBi und früher schon CoBi3 induzieren, indem die chemische Synthese bei extremen Bedingungen durchgeführt wurde. Die ausgewählte Parameterkombination entspricht derjenigen in einigen Bereichen des oberen Erdmantels, nämlich einem Druck von 50000 Atmosphären und einer Temperatur von 450 °C. Eine Analyse der chemischen Bindung mit Hilfe hoch entwickelter quantenchemischer Methoden belegt, dass die Phasen zwar schwache, aber dennoch ausgeprägt richtungsabhängige Wechselwirkungen aufweisen. Diese beinhalten kovalente Mehrzentren-Bindungen in stark miteinander verbundenen Baueinheiten gemeinsam mit ausgeprägt schwächeren Wechselwirkungen einsamer Elektronenpaare in den Bereichen dazwischen (siehe Abbildung).

Da beide Verbindungen widerstandslosen Stromtransport bei niedrigen Temperaturen zeigen, wurde ein systematischer Vergleich der Supraleitungs- und Bindungseigenschaften von Übergangsmetall-Bismutphasen durchgeführt. Das ziemlich unerwartete Ergebnis ist, dass die Übergangstemperatur bei schwereren Komponenten systematisch höher als bei leichteren Elementen ist – ein Resultat, das im Widerspruch zur grundlegenden Theorie der Supraleitung steht. Obwohl die Anzahl der untersuchten supraleitenden Verbindungen nicht besonders groß ist, belegt die Studie die Bedeutung des Ladungsübertrags und damit der chemischen Bindung für die Übergangstemperatur. Im vorliegenden Fall überkompensiert dieser Effekt denjenigen der Atommassen. Ausgedehntere Studien werden notwendig sein, um zu verifizieren, ob dieser Trend auf einem allgemeingültigen Prinzip beruht, welches entscheidende Kenngrößen der Phononen getriebenen Supraleitung erhellt.

Kristallstruktur von CuBi. Rote Kugeln markieren Kupferatome, grüne Bismut. Die Atomrümpfe sind blau angezeigt und die weißen bis orangefarbenen Strukturen in der Bildmitte geben einsame Elektronenpaare wieder. Die Elementarzelle ist orangefarben dargestellt.

Während normale Metalle wie Kobalt oder Kupfer eine starke Tendenz zur Bildung von Verbindungen aufweisen, zeigen schwere Hauptgruppenmetalle wie Bismut einen bemerkenswerten Mangel an Reaktivität. Wissenschaftler des Max-Planck-Institutes für Chemische Physik fester Stoffe konnten dieses Hindernis mit Hilfe der Hochdrucksynthese überwinden und erhielten die Verbindungen CuBi und früher CoBi3. Eine systematische Analyse zeigte, dass Verbindungen von Übergangs­metallen mit Bismut eine Vorhersage der Standardtheorie der Supraleitung verletzen.

US, JG / CPFS

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