Mehrere Umkehrungen! Das Thema Supraleitung bei Raumtemperatur wird in Südkorea immer „lebhafter“ …

In den letzten zwei Wochen haben Menschen, ob sie nun Physik verstehen oder nicht, auf verschiedenen sozialen Plattformen und in den Nachrichten die Worte „Supraleitung bei Raumtemperatur“ gesehen. Auch zwischen den beiden Lagern, die die Forschungsergebnisse befürworten und denen, die sie ablehnen, kommt es zu heftigen Auseinandersetzungen. Heute werden wir die Einzelheiten der „Supraleitung“ und dieser „Supraleitung bei Raumtemperatur“ gemäß der Zeitleiste klären.

Hintergrundeinführung – Was ist Supraleitung?

Im Jahr 1908 gelang es der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes nach langen Bemühungen endlich, flüssiges Helium herzustellen, womit sie über ein leistungsfähiges Werkzeug für Physikexperimente bei extrem niedrigen Temperaturen verfügte.

Der Ursprung des Konzepts der Supraleitung

Supraleiter, wörtlich als „Supraleiter“ verstanden, bezeichnet einen Leiter, der bei einer bestimmten Temperatur keinen Widerstand mehr aufweist. Als Onnes 1911 flüssiges Helium verwendete, um Quecksilber auf 4,2 Kelvin (K) abzukühlen, stellte er fest, dass der Widerstand des Quecksilbers vollständig verschwand. Anschließend entdeckte er, dass auch andere Metalle bei extrem niedrigen Temperaturen zu Supraleitern wurden, wofür er 1913 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Meissner-Effekt

Der Meissner-Effekt beschreibt die Tatsache, dass ein Supraleiter in einem Magnetfeld das äußere Magnetfeld stark abstößt, was zu vollständigem Diamagnetismus führt. Das bedeutet, dass im Körperinneren ein Magnetfeld erzeugt wird, das das äußere Magnetfeld vollständig aufhebt, sodass die magnetische Induktionsintensität im Körper Null beträgt.

Dieser Diamagnetismus kann in vielen Supraleitern durch ein äußeres Magnetfeld teilweise zerstört werden, die in den Körper eintretenden magnetischen Flusslinien werden jedoch durch die supraleitenden Elektronen fest blockiert. Daher üben Supraleiter sowohl starke abstoßende als auch anziehende Kräfte auf externe Magnetfelder aus. Diese besondere Wechselwirkungskraft kann die Wirkung der Schwerkraft überwinden, sodass der Supraleiter über dem Magneten schweben oder stabil unter dem Magneten hängen kann, wodurch eine extrem stabile magnetische Levitation erreicht wird. Hinweis 1: Umrechnungsverhältnis zwischen Kelvin und Celsius: 0 K = -273,15 °C, d. h. 20 °C sind 293,15 K. Hinweis 2: Die Stärke des äußeren Magnetfelds beeinflusst auch, ob sich das supraleitende Material in einem supraleitenden Zustand befindet. Hier bezieht es sich auf den Bereich der magnetischen Feldstärke, der es dem Material ermöglicht, einen supraleitenden Zustand ohne Widerstand aufrechtzuerhalten.

Zusammenfassend sind der Nullwiderstand und der Meissner-Effekt zu zwei direkten Grundlagen für die Bestimmung von Supraleitern geworden .

Stellen Sie sich vor, Supraleiter würden sich auf breiter Front verbreiten. Das Leben der Menschen würde sich grundlegend ändern. Allerdings sind die derzeitigen supraleitenden Umgebungsbedingungen für das menschliche Überleben zu rau, sodass zahlreiche Wissenschaftler viel Energie in die Entwicklung supraleitender Materialien für Raumtemperatur gesteckt haben.

Geschichte der Supraleitung

Die folgende Abbildung fasst die aktuelle Geschichte der Supraleitung kurz zusammen. Wir interpretieren diese Abbildung auch textuell für Sie:

Bildquelle: Luo Huiqian

Zwischen 1911 und 1932 entdeckte man, dass Blei, Zinn, Niob und andere Metalle bei niedrigen Temperaturen ebenfalls supraleitende Zustände aufweisen. Unter diesen weist Niob die höchste supraleitende kritische Temperatur auf und erreicht 9,2 K.

Auf dieser Grundlage wurde eine Reihe von Legierungen und Metallnitriden hergestellt, beispielsweise eine Niob-Germanium-Legierung (Nb3Ge) mit einer kritischen Temperatur von 23,2 K.

Vor 1980 konnten die von Menschenhand hergestellten Supraleiter ihre supraleitenden Eigenschaften bei Temperaturen über 40 K nicht aufrechterhalten.

Im Jahr 1986 entdeckten Johannes Bednorz und Karl Muller das Lanthan-Barium-Kupferoxid (La-Ba-Cu-O)-Material mit einer Sprungtemperatur von 35 K und schlugen damit ein neues Kapitel in der Erforschung supraleitender Materialien auf (der grüne Teil im mittleren Bildbereich). Die beiden Wissenschaftler erhielten 1987 außerdem den Nobelpreis für Physik. Hinweis: Der Abstand zwischen den Verleihungen beträgt nur 10 Monate, der zweitkürzeste in der Geschichte der Nobelpreise.

Im Jahr 1987 entdeckten die chinesischen Physiker Zhao Zhongxian und Zhu Jingwu das Material Yttrium-Barium-Kupferoxid (Y-Ba-Cu-O), das die Supraleitungstemperatur auf über 90 K erhöhte und damit in den Temperaturbereich von flüssigem Stickstoff vordrang.

Anschließend entdeckten Wissenschaftler Materialien wie Wismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid (Bi-Sr-Ca-Cu-O), Thallium-Barium-Calcium-Kupferoxid (Tl-Ba-Ca-Cu-O) und Quecksilber-Barium-Calcium-Kupferoxid (Hg-Ba-Ca-Cu-O), die die kritische Temperatur der Supraleitung schrittweise auf etwa 130 K erhöhten. Unter anderem können Gasdruck und Temperatur des Quecksilber-Barium-Calcium-Kupferoxid-Materials (Hg-Ba-Ca-Cu-O) bei Normaldruck 134 K erreichen.

Nach dem 21. Jahrhundert entdeckte das Akimitsu-Team in Japan im Jahr 2001 das Material MgB2 mit einer kritischen Temperatur von 39 K, der höchsten unter den binären Metallverbindungen. Da die kritische Temperatur im Bereich von flüssigem Wasserstoff liegt und die Rohstoffe im Überfluss vorhanden sind, haben viele Unternehmen im In- und Ausland bereits mit der Produktion begonnen.

Im Jahr 2008 entdeckte das japanische Hosono-Team erstmals supraleitende Materialien auf Eisenbasis und läutete damit das „Eiserne Zeitalter“ der Supraleitungsforschung ein (der gelbe Text in der unteren rechten Ecke des Bildes).

Eine weitere Möglichkeit, Supraleitung bei Raumtemperatur zu erreichen, besteht darin, Druck auszuüben. Es gibt beispielsweise Forschungsarbeiten, in denen durch die Verwendung von Diamantstempelzellen zur Druckausübung Supraleitung bei Raumtemperatur erreicht wurde. Da die Umgebung jedoch zu rau ist, hat es derzeit nur einen theoretischen Wert (der rote Text in der oberen rechten Ecke des Bildes).

Der neueste Durchbruch?

2020

In der renommierten Fachzeitschrift Nature wurde ein Artikel von Ranga Dias veröffentlicht, in dem behauptet wurde, dass ein neues Material aus den Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Schwefel Supraleitung bei Raumtemperatur (15 °C, 267 GPa, etwa 2,67 Millionen Atmosphären) erreichen könne. Aufgrund zahlreicher Zweifel wurde der Artikel jedoch später zurückgezogen.

März 2023

Dieser Dias brachte noch bedeutendere Ergebnisse, erneut Supraleitung bei Raumtemperatur und erneut in der Natur. Diesmal handelte es sich um Stickstoff-Wasserstoff-Lutetium-Material und diesmal herrschten die Bedingungen einer kritischen Temperatur von 21 °C und 1 GPa. Später wurde es auch in Frage gestellt, weil es nicht reproduziert werden konnte.

25. Juli 2023

Ein südkoreanisches Team veröffentlichte zwei Artikel auf der Preprint-Website arXiv und behauptete, das bei Raumtemperatur supraleitende Material LK-99 entdeckt zu haben, dessen kritische Temperatur bei Normaldruck 400 K (126,85 °C) überschreiten kann, was eine neue Runde fanatischer Suche und schöner Vorstellungen von Supraleitung bei Raumtemperatur auslöste.

Nicht nur sind die Ergebnisse mit supraleitenden Materialien sehr attraktiv, auch der Herstellungsprozess ist äußerst einfach und kann unter den meisten Laborbedingungen durchgeführt werden. Dies hat auch eine Welle der Ergebnisreproduktion unter in- und ausländischen Kollegen und entsprechenden Enthusiasten ausgelöst, die ihre eigenen experimentellen Fortschritte live auf sozialen Plattformen übertragen oder als Serie veröffentlichen.

28. Juli 2023

Young-Wan Kwon, einer der Autoren des Artikels, gab die Ergebnisse der Forschung zur Supraleitung bei Raumtemperatur auf einem internationalen Seminar in Seoul, Südkorea, bekannt, es wurden vor Ort jedoch keine Proben ausgestellt.

Professor Wen Haihu von der Universität Nanjing erklärte gegenüber Pengpai Technology: „Nach unseren Erfahrungen reichen (die derzeit in der Abhandlung veröffentlichten Daten) nicht aus, um zu beweisen, dass es sich um einen Supraleiter handelt.“ Es ist erwähnenswert, dass dieser Professor gerade Daten verwendet hatte, um Dias‘ Arbeit zur Supraleitung bei Raumtemperatur zu widerlegen.

30. Juli 2023

Cailianshe berichtete, dass Hong Zhiyong, ein Experte für die Anwendungsforschung im Bereich Supraleitung und Direktor des Shanghai Superconducting Materials and Systems Engineering Research Center, sagte, dass auf Grundlage unserer Erfahrung (der im vorliegenden Artikel veröffentlichten Daten) nicht ausreichend sei, um zu beweisen, dass es sich um einen Supraleiter handele.

31. Juli 2023

Forscher der Beihang-Universität reichten ein Papier auf arXiv ein, in dem sie erklärten, dass die von ihnen vorbereiteten Proben mit denen des koreanischen Teams übereinstimmten, dass sie jedoch keinen Riesendiamagnetismus und keine magnetischen Levitationsphänomene feststellen konnten und dass kein Nullwiderstand existierte.

In einem weiteren gemeinsamen Artikel der Beihang-Universität und des Shenyang National Laboratory for Materials Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften wurde die Möglichkeit, in diesem Material Supraleitung zu erreichen, theoretisch analysiert.

Am selben Tag zeigte eine theoretische Forschungsarbeit des Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in den USA, dass die Dichtefunktionaltheorie-Planung für LK-99 darauf hindeutete, dass das Material eine spezielle Struktur mit dem Potenzial zur Erreichung von Supraleitung aufweist. [11~12]

Ein gemeinsamer Artikel der Beihang-Universität und des Shenyang National Laboratory for Materials Science, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Lawrence Berkeley National Laboratory

1. August 2023

Der Bilibili-Benutzer „Guanshankou Male Technician“ hat das entsprechende Video hochgeladen. Das Video zeigt, dass Wu Hao, ein Postdoktorand an der School of Materials Science and Engineering der Huazhong University of Science and Technology, und Yang Li, ein Doktorand, unter der Anleitung von Professor Chang Haixin die LK-99-Probe erfolgreich vorbereiteten und zum ersten Mal die antimagnetischen Eigenschaften der Probe reproduzierten. Der Aufhängewinkel der Probe im Video ist größer als der der Probe im Artikel des Originalautors. Bisher konnte jedoch nur der Meissner-Effekt nachgewiesen werden und die Probe ist zu klein, um eine Nullwiderstandsmessung durchzuführen.

Der Zhihu-Benutzer „Semiconductors and Physics“ hat den Fortschritt aktualisiert und ein Video hochgeladen, in dem er auch angibt, dass der Antimagnetismus, der in der Arbeit gezeigt wird, vorhanden ist.

Der russischen Wissenschaftlerin Iris Alexandra gelang es, LK-99-Kristalle mit Diamagnetismus bei Raumtemperatur herzustellen, einem der Kennzeichen supraleitender Kristalle. Die Ergebnisse wurden auf Twitter veröffentlicht.

Als die Replikationsergebnisse bekannt wurden, stiegen die Aktienkurse für Supraleiter-bezogene Konzepte im In- und Ausland sprunghaft an. Die Shanghaier Zeitung „First Financial Daily“ berichtete, dass die Aktienkurse der US-amerikanischen Unternehmen für Supraleiterkonzepte vor der Markteröffnung am 1. August sprunghaft anstiegen, und zwar um fast 150 %, danach jedoch wieder abfielen. Auch die Aktienkurse für supraleitende Konzepte an der chinesischen Börse explodierten am selben Tag plötzlich, wobei Farsens steil anstieg und schnell das Tageslimit erreichte. Viele Konzeptaktien folgten dem Anstieg, wobei Guocable Testing um 20 % zulegte und viele Aktien, darunter Jingda Holdings, Zhongfu Industrial, Innovation New Materials und Baili Electric, ihr Tageslimit erreichten.

3. August 2023

Der Bilibili-Benutzer „Science Investigation Bureau“, Sun Yue, Professor an der School of Physics der Southeast University, hat ein Video hochgeladen. Nach erfolgreicher Probenvorbereitung wurde bei einer Temperatur unter 110 K das Phänomen des „Nullwiderstands“ beobachtet. Obwohl die Anforderungen an die Supraleitung erfüllt waren, war der Temperaturunterschied sehr groß. Der Autor gab außerdem an, dass die Messung von der Genauigkeit des Instruments beeinflusst wurde.

Liu Xiaobing, Professor an der Qufu Normal University, sagte, dass die Testergebnisse gezeigt hätten, dass LK-99 im Bereich von Raumtemperatur bis 50 K immer noch einen hohen Widerstandswert habe und dass es während des Tests keinen starken Abfall des Widerstands oder Nullwiderstand gegeben habe, was weit von der erwarteten Nullwiderstandscharakteristik der „Supraleitung bei Raumtemperatur“ entfernt sei.

Die Nachrichtenagentur Yonhap berichtete, dass ein Expertengremium der Koreanischen Gesellschaft für Niedertemperatur-Supraleiter festgestellt habe, dass LK-99 kein Supraleiter bei Raumtemperatur sei.

Was die Finanzinformationen angeht, eröffneten die Aktien von Unternehmen mit supraleitendem Konzept an diesem Tag in der Morgensitzung deutlich niedriger, wobei Zhongfu Industrial, Jingda Holdings, Innovation New Materials und Jinhui Holdings bei ihren Geboten allesamt das Limit unterschritten. Zum Handelsschluss am 3. August erreichten von den drei Aktien, die am Vortag das Tageslimit erreicht hatten – Zhongfu Industrial, Farsens und Baili Electric – sowohl Zhongfu Industrial als auch Farsens das Tageslimit, während Baili Electric leicht um 0,42 % zulegte. Viele Unternehmen haben öffentlich erklärt, dass ihr Geschäft nichts mit supraleitenden Materialien zu tun hat. In den USA fiel der Aktienkurs von American Superconductor, der am Vortag um 60 % gestiegen war, um fast 30 %.

4. August 2023

HuynTak Kim, Professor an der University of William and Mary in den USA und einer der Autoren des Originalartikels, stellte einem Reporter der New York Times ein zweites Video zur Verfügung, das die Federungseigenschaften des LK-99 zeigt. Die Morphologie der Suspension ähnelt der in früheren Arbeiten, es werden jedoch auch hier keine weiteren Messdaten erwähnt. [20]

In einem Artikel in Time Weekly hieß es: „Auf der Suche nach Autoren und Teams, die nach dem 22. Juli auf der Preprint-Website arXiv Artikel zu LK-99 veröffentlicht hatten, rief ein Reporter neun inländische Teams an, die an der theoretischen Deduktion und experimentellen Verifizierung beteiligt waren, darunter auch die drei oben genannten Teams, erhielt jedoch weder telefonisch noch per E-Mail eine Antwort, oder seine Interviewanfragen wurden höflich abgelehnt.

5. August 2023

Der Douyin-Blogger „Alchemist Axiang“ hat ein Video veröffentlicht, in dem nicht nur erklärt wird, dass der Antimagnetismus von LK-99 reproduziert werden kann, sondern dass sogar eine vollständige Suspendierung erreicht werden kann. Im Video wurde jedoch erwähnt, dass einige andere Verbindungen hinzugefügt wurden. Derzeit sind die Echtheit des Ergebnisses und die wahre Identität des Autors noch unklar.

Verwandte Spekulationen

Standpunkt 1: Dieses Material verfügt über einen ausgezeichneten Diamagnetismus oder schwachen Ferromagnetismus, hat aber nichts mit der Erzielung von Supraleitung bei Raumtemperatur zu tun .

Standpunkt 2: Das Material verfügt zwar über supraleitende Eigenschaften bei Raumtemperatur, das Zielprodukt macht jedoch im Endprodukt nur einen sehr geringen Anteil aus und ist ungleichmäßig verteilt, sodass es nicht vollständig suspendiert werden kann und das Nullwiderstandsphänomen nicht gemessen werden kann .

Standpunkt drei: Dieses Material ist in den Augen der Leute vielleicht nicht das perfekte supraleitende Material für Raumtemperatur, aber wie ein Türklopfer in der Geschichte der supraleitenden Materialien bietet es einen guten Referenzwert für spätere Forschungen .

Verweise

[1] University Physics, herausgegeben von Zhang Sanhui, Tsinghua University Press

[2] Das Konzept der „Supraleitung bei Raumtemperatur“ kühlt ab, da Wissenschaftler bei der Reproduktion von Experimenten auf Hindernisse stoßen | Südkorea | Befestigen | Supraleiter | Supraleitende Materialien_NetEase-Abonnement (163.com)

[3] Video: Mu Gang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften: LK-99 ist noch nicht vollständig bewiesen und die Supraleitung bei Raumtemperatur und Normaldruck befindet sich noch im Konzeptstadium – 21 Finance (21jingji.com)

(Um die Überprüfung zu erleichtern, wurden die Zitate, Fußnoten usw. dieses Artikels geändert.)

Autor: Heartson Materials Engineer PhD in Materialwissenschaften, Zhejiang University

Gutachter: Luo Huiqian, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften