Was geschah in diesen Jahren mit dem Geheimnis der Supraleitung bei Raumtemperatur?

Vor kurzem erlangte der südkoreanische Raumtemperatur-Supraleiter „LK-99“ Berühmtheit. Die großen Medienplattformen schenkten ihm große Aufmerksamkeit und die Supraleitungs-Community intensivierte ihre Reproduktionsbemühungen. Unabhängig davon, ob es sich um Experimente oder theoretische Berechnungen handelt, sind die Ergebnisse der verschiedenen Arbeiten jedoch sehr unterschiedlich. Einige Arbeiten liefern mehrere Belege für die Supraleitung, während andere behaupten, es handele sich lediglich um gewöhnliche magnetische Materialien oder sogar um falsche Signale aufgrund von Verunreinigungen. Die Aussichten für LK-99 haben sich mit der Aktualisierung des Papiers ständig geändert und der Nebel um LK-99 scheint immer dichter zu werden. In den mehr als 100 Jahren der Erforschung der Supraleitung ist LK-99 weder das erste Material, von dem behauptet wird, dass es Supraleitung bei Raumtemperatur erreicht, noch ist es das erste Material, das bei der späteren Überprüfung in Kontroversen verwickelt war. Tatsächlich waren viele sogenannte „Supraleiter bei Raumtemperatur“ letztlich nicht schlüssig und wurden von Physikern in Anlehnung an UFOs als „unidentifizierte Supraleiter“ (USOs) bezeichnet. Also, wie viele vermutete Supraleiter bei Raumtemperatur gibt es auf der Welt? Was wird später mit ihnen passieren?

Nun, wie viele Arten von Supraleitern bei Raumtemperatur gibt es?

Kürzlich hat ein Arxiv-Artikel eines koreanischen Teams das Konzept der Supraleitung bei Raumtemperatur erneut in den Vordergrund gerückt. In den letzten Jahren gab es zu diesem Thema eine wichtige Neuigkeit nach der anderen, die die Neugier und Erwartungen der Menschen weckte, aber bisher noch kein zufriedenstellendes Ergebnis brachte.

Tatsächlich hat die Menschheit nicht erst vor kurzem damit begonnen, Supraleitung bei Raumtemperatur zu erreichen. Im Laufe des letzten Jahrzehnts haben Forscherteams wiederholt behauptet, Supraleiter bei oder nahe der Raumtemperatur gefunden zu haben.

Bereits im Oktober 2020 veröffentlichte das Dias-Team in den USA in Nature ein „Ergebnis“ zur Supraleitung bei Raumtemperatur und behauptete, dass die durch grüne Laserstrahlung synthetisierte Kohlenstoff-Schwefel-Wasserstoff-Verbindung (CSH) eine supraleitende Übergangstemperatur von bis zu 288 K bei einem Druck von 267 GPa aufwies. Von nun an werden die Leute bei jeder Diskussion über Themen rund um die Supraleitung seufzen: „Auch wenn der Druck lächerlich hoch ist, kommt endlich die Supraleitung bei Raumtemperatur.“

Diaz und das zurückgezogene Papier zur Supraleitung

Doch leider hatte man nach einer gewissen Wartezeit, bevor das Experiment wiederholt wurde, bereits eine Menge Gerüchte über Diaz gehört. Kollegen vermuteten, dass die experimentellen Daten dieser Arbeit verändert und manipuliert worden waren. So veröffentlichte etwa der theoretische Physiker Hirsch von der University of California nach sorgfältiger Analyse zwei Arbeiten, in denen er die Ergebnisse in Frage stellte und kritisierte. Nach langem Tauziehen wurde der Artikel im September 2022 schließlich zurückgezogen.

Drei Jahre sind wie im Flug vergangen und die Supraleitung bei Raumtemperatur ist wieder da. Auf der Tagung der American Physical Society Anfang März 2023 gab Dias die Entdeckung eines weiteren Supraleiters bei Raumtemperatur bekannt und behauptete, dass die unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen synthetisierte Lutetium-Stickstoff-Wasserstoff-Verbindung (Lu-NH) eine Supraleitung bei Raumtemperatur von 294 K bei einem Druck von 1 GPa erreichen könne. Er veröffentlichte dies in Nature. Da alle von der vorherigen Leistung „geblendet“ waren, nahmen sie eine Haltung ein, bei der sie „eine Weile die Kugeln fliegen lassen“ wollten. Hirsch, der Diaz zuvor „wütend kritisiert“ hatte, kam ebenfalls zum Veranstaltungsort, um das Problem „anzugehen“.

Tatsächlich konnte dieses Ergebnis nicht nur nicht in großem Umfang reproduziert werden, sondern viele Verifizierungsexperimente wurden auch widerlegt, wie etwa die Experimente der Teams der Universität Nanjing und des Institute of Physics in China. Die Aufmerksamkeit aller auf die Supraleitung bei Raumtemperatur hat sich teilweise auch auf Dias verlagert, den Wissenschaftler, der die Supraleitung bei Raumtemperatur zweimal „entdeckte“, und die Menschen begannen, seine Ursprünge und Vergangenheit zu verstehen. Seine Kollegen stellten daraufhin Ähnlichkeiten zwischen seiner Doktorarbeit und zahlreichen anderen Aufsätzen fest. Außerdem wies eine Tabelle in einem der Aufsätze auffallende Ähnlichkeiten mit anderen Dokumenten auf, was darauf hindeutete, dass Dias sich möglicherweise eines akademischen Fehlverhaltens schuldig gemacht hatte. Daraufhin wurden auch die entsprechenden CSH-Papiere untersucht und das Papier zurückgezogen.

Die große Aufmerksamkeit, die Dias erfahren hat, ist untrennbar mit dem wachsenden Bewusstsein der Menschen für die Bedeutung von Supraleitern und die Entwicklung der modernen Wissenschaft und Technologie verbunden. Tatsächlich gibt es viele Beispiele für Behauptungen, Supraleiter bei Raumtemperatur gefunden zu haben. So behaupteten beispielsweise zwei indische Forscher im Jahr 2018, dass durch die Zugabe von Nanosilberpulver zu Gold-Nanoarrays eine Supraleitfähigkeit von 236 K erreicht werden könne. Ihre Daten wurden von Skinner vom MIT in Frage gestellt, da das Rauschmuster der experimentellen Daten dasselbe war, was in echten Experimenten unmöglich war. Später widerlegten indische Wissenschaftler das Gerücht und sagten, es handele sich um einen „Quantenrauscheffekt“ …

So behauptete Kostadinow im Jahr 2016, einen Supraleiter mit einer Sprungtemperatur von 373 K gefunden zu haben, gab jedoch weder die Zusammensetzung noch den Herstellungsprozess des Supraleiters preis, und es erfolgte auch keine vertrauliche Weiterverfolgung.

Es gibt viele frühere Beispiele: 2012 gab ein Team bekannt, dass speziell mit reinem Wasser behandeltes Graphitpulver bei 300 K und Normaldruck Supraleitung aufweist; Im Jahr 2003 behauptete ein Team, dass n-Typ-Diamant nach Kopplung mit Elektroden und Vakuum bei Raumtemperatur und -druck eine supraleitende Phase aufweisen kann …

Man muss zugeben, dass bis ein echter Supraleiter bei Raumtemperatur auftaucht (oder seine Unmöglichkeit durch eine zuverlässige Theorie bewiesen wird), ähnliche Nachrichten eine nach der anderen kommen könnten, und nachdem sie möglicherweise eine plötzliche Aufmerksamkeit erregt und Kursschwankungen provoziert haben, werden die Leute enttäuscht zurückkehren. Es lässt sich nicht leugnen, dass die tatsächliche Einführung der Supraleitung bei Raumtemperatur enorme Veränderungen für die Welt mit sich bringen wird, doch der Weg zu ihrer Erforschung dürfte lang und beschwerlich sein. Wir können genauso gut darauf achten und ihm mit ruhigem Geist entgegensehen.

Warum können wir nach so langer Zeit immer noch nicht sicher sein, ob es supraleitend ist?

Eine Frage verwirrt möglicherweise jeden: Ist die Frage, ob ein Material ein Supraleiter ist, nicht eine Schwarz-Weiß-Frage, die schnell und umfassend bestätigt oder verneint werden kann? Auf diese Weise bleiben nicht so viele ungeklärte Fragen übrig und es wird nicht wie beim LK-99 sein, der alle drei Wochen lang vor Rätsel gestellt hat. Tatsächlich ist das Problem nicht so einfach.

Damit neue supraleitende Materialien anerkannt werden, müssen die Autoren überzeugende Daten liefern und andere Kollegen müssen in der Lage sein, denselben Effekt zu reproduzieren – supraleitende Materialien in Peking sollten auch in New York supraleitend sein, so die hartnäckige Überzeugung der Physiker. Um festzustellen, ob ein neues Material supraleitend ist, muss ein Instrument etwas mit einer Probe machen. Daher kann die Überprüfungsarbeit an verdächtigen Supraleitern in mindestens zwei Teile unterteilt werden: die Beschaffung einer qualitativ hochwertigen Probe und die Durchführung der Prüfung der Probe.

Die Vorbereitung von Proben ist keine leichte Aufgabe. Obwohl die Leute oft scherzhaft sagen, dass die Vorbereitung von Proben dem Verfeinern von Elixieren gleicht, können letztendlich nicht alle Elixiere Menschen unsterblich machen (es scheint, dass nicht alle Elixiere Menschen unsterblich machen können). Bei supraleitenden Materialien bezieht sich eine „hochwertige Probe“ oft auf einen sauberen Einkristall geeigneter Größe; Die zur Prüfung herangezogenen Kristalldefekte sollten möglichst gering sein und Verunreinigungen nahezu ausgeschlossen sein.

Obwohl polykristalline Materialien mit ungeordneten Korngrenzen und einer großen Menge an Verunreinigungen leicht zu sintern sind, können die Testergebnisse strenge Gutachter und Kollegen nur schwer überzeugen. Um brauchbare Proben herzustellen, sind teure hochreine Rohstoffe, komplexe Sinterbedingungen sowie unbeschreibliche Erfahrung und etwas Glück erforderlich.

Selbst wenn Sie eine brauchbare Stichprobe erhalten, ist die Frage, wie Sie diese zur Messung überzeugender Daten verwenden können, ebenfalls eine technische Aufgabe. Es ist einfacher, Proben von Normaldruck-Supraleitern zu messen, aber es sind immer noch viele Schritte erforderlich. Die Probe muss zunächst gereinigt und mit feinem Schleifpapier poliert werden. Bei geringer Schleifkraft werden die Verunreinigungen auf der Oberfläche der Probe nicht entfernt, was zu falschen Signalen führt. Bei starker Mahlkraft kann es passieren, dass die Probe direkt auseinanderfällt. Nach dem Zermahlen der mehrere Millimeter langen Probe werden vier leitfähige Elektroden nebeneinander aufgeklebt und der Widerstand analog zur Innenschaltung eines Voltamperemeters in der Mittelstufe geprüft. Die Elektroden sollten parallel und gleich lang aufgeklebt werden und genügend Abstand zueinander haben. Vom Polieren bis zum Aufkleben der Elektroden müssen diese heiklen Aufgaben unter dem Mikroskop schnell erledigt werden, da die Proben sonst oxidieren und an der Luft zerfallen und die gesamte bisherige Arbeit umsonst ist.

Schwieriger dürfte der Nachweis der Hochdrucksupraleitung sein. Ganz zu schweigen davon, dass die experimentellen Bedingungen, die einen millionenfach höheren atmosphärischen Druck aufweisen, die meisten Labore davon abgehalten haben, sich an den Verifizierungsbemühungen zu beteiligen. Die Testtechnologie selbst ist unglaublich komplex. Wir müssen einen Weg finden, den Druck gleichmäßig auf die Probe auszuüben und zu übertragen, ohne sie zu beschädigen. wir müssen die Probe zusammen mit dem Druckgerät kühlen und ein Magnetfeld anlegen; wir müssen vier Drähte vom Druckmechanismus verlegen, um das Voltmeter und das Amperemeter des Testgeräts anzuschließen; wir müssen auch die Rauschsignale unterdrücken, die von komplexen Geräten und extremen Bedingungen erzeugt werden …

Daher scheint die Hochdruck-Supraleitung ein eher unglückliches Schicksal zu haben: Die Probe des metallischen Wasserstoff-Supraleiters verdampfte und nichts kam dabei heraus; obwohl Kohlenstoff-Schwefel-Wasserstoff mit einer kritischen Temperatur von über 200 K seit einiger Zeit bekannt war, wurde es im letzten Jahr schließlich zurückgezogen; und auch der Lutetium-Stickstoff-Wasserstoff-Supraleiter steht im März dieses Jahres vor einem jähen Ende...

Superhydrid: Große Kraft bewirkt Wunder?

Nachdem so viel gesagt wurde: Auf welcher Art von Material werden Supraleiter bei Raumtemperatur erscheinen?

Unter allen „bei Raumtemperatur supraleitenden Materialien“ ist Superhydrid das theoretisch am besten mögliche und derzeit am besten untersuchte. Nach der BCS-Theorie (benannt nach den drei Entdeckern Bardeen, Cooper und Schrieffer), die die konventionelle Supraleitung erklären kann, ist die kritische Temperatur Tc eines Supraleiters umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Masse M der Atome, aus denen der Supraleiter besteht. Daher kamen die Wissenschaftler natürlich zu dem Schluss, dass die beste Möglichkeit, die kritische Temperatur der Supraleitung zu erhöhen, die Verwendung des leichtesten Elements – Wasserstoff – wäre.

Um Wasserstoff mit einem Siedepunkt von -253 °C unter Normaldruck in festes, leitfähiges Material, metallischen Wasserstoff, umzuwandeln, ist die Anwendung eines Drucks von mehreren Millionen Atmosphären erforderlich. Zufälligerweise trägt der Druckanstieg auch zur Erhöhung der kritischen Temperatur der Supraleitung bei. Infolgedessen wurde Wasserstoff in Diamantstempelzellen in Hochdruck-Supraleitungslabors auf der ganzen Welt injiziert.

Es ist jedoch äußerst schwierig, gasförmigen Wasserstoff zu einem Feststoff zu komprimieren, ihn stabil zu halten und dann die Messung abzuschließen. Jahrzehnte sind vergangen und bis heute ist es fast niemandem gelungen, metallischen Wasserstoff herzustellen. Der einzige Erfolg kam von dem Amerikaner Dias, der im März behauptete, Supraleitung bei Raumtemperatur erreicht zu haben. Auf Nachfrage seiner Kollegen behauptete er jedoch, die Probe sei nicht ordnungsgemäß gelagert worden, verdampfte und verschwand. Dieser ungelöste Fall endete auf so lächerliche Weise.

Da die Herstellung von metallischem Wasserstoff zu schwierig ist, griffen die Wissenschaftler auf Seltenerdhydride zurück. Die Lanthanoidenelemente am unteren Ende des Periodensystems können sich mit mehreren Wasserstoffatomen zu Molekülen verbinden und relativ stabil existieren. Diese Verbindung, die mehrere Wasserstoffatome enthält, wird als wasserstoffreiche Verbindung bezeichnet. Ist der Wasserstoffanteil im Molekül noch höher, spricht man von einem Superhydrid.

Das am besten untersuchte Material unter ihnen ist das La-H-System. LaH10 kann durch Bestrahlung einer Mischung aus Lanthan und Wasserstoff im gleichen Verhältnis mit einem Laser unter hohem Druck gewonnen werden. Dies ist das Superhydrid mit der höchsten bisher experimentell nachgewiesenen kritischen Temperatur. Es kann Supraleitung bei etwa 252 K (-13 °C) bei 1,65 Millionen Atmosphären erreichen.

Ein Wasserstoffkäfig umgibt ein La-Atom im LaH10-Kristall

Derzeit konzentriert sich die Forschung zu hydridreichen Verbindungen seltener Erden noch hauptsächlich auf binäre Systeme. Mit fortschreitender Forschung gewinnen Superhydride im ternären System zunehmend an Aufmerksamkeit und können in Zukunft möglicherweise den kritischen Temperaturrekord von Hochdrucksupraleitern brechen. Es sei darauf hingewiesen, dass Hydrid eine Art konventioneller Supraleiter ist, der durch die in den 1950er Jahren vorgeschlagene BCS-Theorie erklärt und vorhergesagt werden kann. Der Erfolg wasserstoffreicher Produkte ist sicherlich ein weiterer starker Beweis für die BCS-Theorie, ihre Bedeutung liegt jedoch fast ausschließlich in der Wissenschaft und experimentellen Technologie unter extremen Bedingungen. Der Druck von Millionen Atmosphären macht es nahezu unmöglich, dies in die Praxis umzusetzen.

Vielleicht werden in Zukunft noch mehr „supraleitende Materialien bei Raumtemperatur“ auftauchen und gefälscht werden; Vielleicht gibt es Supraleitung bei Normaldruck und Raumtemperatur überhaupt nicht, aber die Menschheit wird die Supraleitung unter milden Bedingungen weiterhin erforschen. Dies ist die Erwartung an die Technik und die wissenschaftliche Tätigkeit. Mit der Weiterentwicklung der experimentellen Technologie und Durchbrüchen in der Grundlagentheorie werden in Zukunft mehr „supraleitende Materialien bei Raumtemperatur“ auftauchen.