Sind die Forschungsergebnisse Südkoreas zur Supraleitung bei Raumtemperatur wahr? Die Schwierigkeiten bei der Reproduktion von Experimenten in einem Artikel verstehen

Am 22. Juli lud ein südkoreanisches Forschungsteam ein Papier auf die arXiv-Plattform hoch, in dem es behauptete, einen Raumtemperatur-Supraleiter namens LK-99 entdeckt zu haben, was weltweite Aufmerksamkeit erregte. Es ist zu beachten, dass arXiv eine Website ist, die Vorabdrucke von Artikeln aus den Bereichen Physik, Mathematik, Informatik, Biologie und mathematische Ökonomie sammelt. Die dort veröffentlichten Artikel können nicht als „offiziell veröffentlicht“ bezeichnet werden, da die dort veröffentlichten Artikel von den Autoren selbst veröffentlicht werden, um ihre eigenen Erstveröffentlichungsrechte geltend zu machen und mit anderen zu kommunizieren. Die Authentizität des Artikelinhalts muss nicht streng von Fachkollegen überprüft werden. Und „offiziell veröffentlichte“ Artikel müssen einem Peer-Review standhalten. Aufgrund des starken öffentlichen Drucks hat das koreanische Team das Papier jedoch vor Kurzem zurückgezogen.

Was ist ein Supraleiter?

Supraleitung ist ein makroskopischer thermodynamischer Phasenübergang von Elektronen innerhalb eines Materials. Supraleiter haben zwei unabhängige Eigenschaften: absoluten Nullwiderstand und vollständigen Diamagnetismus.

Null Widerstand bedeutet, dass der Widerstand vollständig verschwindet, was für jeden leicht verständlich ist. Was also ist vollständiger Antimagnetismus?

In der Physik wird der Magnetismus von Materialien üblicherweise in Paramagnetismus, Diamagnetismus und Ferromagnetismus unterteilt. Ferromagnetische Materialien sind Materialien, die magnetisiert werden, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht oder auf eine Temperatur unter eine bestimmte Temperatur abgekühlt werden. Dabei entsteht ein starkes Magnetfeld und es entstehen klare Magnetpole. Beispielsweise können einige Materialien, die Elemente wie Eisen, Kobalt und Nickel enthalten, nach der Magnetisierung ihren Ferromagnetismus behalten. Paramagnetische Materialien sind Materialien, die in ein Magnetfeld platziert werden. Das Material wird magnetisiert, um ein kleineres Magnetfeld mit der gleichen Richtung wie das ursprüngliche Magnetfeld und einer Größe proportional zum ursprünglichen Magnetfeld zu erzeugen, das jedoch verschwindet, wenn das externe Magnetfeld entfernt wird. Diamagnetische Materialien sind Materialien, die in ein Magnetfeld gelegt werden. Das im Material erzeugte Magnetfeld ist der Richtung des ursprünglichen Magnetfelds entgegengesetzt, wodurch das gesamte Magnetfeld geschwächt wird. Im Allgemeinen werden ferromagnetische Materialien, die in ein Magnetfeld gebracht werden, vom ursprünglichen Magnetfeld angezogen, während diamagnetische Materialien vom ursprünglichen Magnetfeld abgestoßen werden.

In vielen Fällen wird der Diamagnetismus von Materialien jedoch ignoriert, da er grundsätzlich nicht beobachtbar ist, wenn das Magnetfeld nicht sehr stark ist. Genauer gesagt beträgt die magnetische Suszeptibilität eines Vakuums 0, was bedeutet, dass sie mit dem ursprünglichen Magnetfeld übereinstimmt. Die magnetische Suszeptibilität gewöhnlicher diamagnetischer Materialien ist negativ, liegt aber sehr nahe bei 0. Beispielsweise sind Wasser, einige organische Stoffe, eine kleine Menge Metall usw. allesamt gewöhnliche diamagnetische Materialien. Die magnetische Suszeptibilität von Supraleitern beträgt jedoch -1 und erreicht damit den Maximalwert des Diamagnetismus, der sich deutlich von gewöhnlichen diamagnetischen Materialien unterscheidet und zu 100 % diamagnetisch ist. Magnetische Flusslinien können gewöhnliche diamagnetische Materialien durchdringen, sie können jedoch nicht durch Supraleiter in einem vollständig diamagnetischen Zustand hindurchgehen (auch als Meissner-Effekt bekannt). Auch wenn die magnetischen Flusslinien bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Magnetfeld den Supraleiter teilweise durchdringen können, tritt ein starker Flussfixierungseffekt auf. Daher weisen Supraleiter äußere Magnetfelder sehr stark ab und können magnetische Flusslinien fest binden, während gewöhnliche diamagnetische Materialien äußere Magnetfelder nur geringfügig abstoßen.

Zum Thema Antimagnetismus gibt es hier eine interessante Tatsache. Andre Geim, derzeit Professor an der Universität Manchester im Vereinigten Königreich, ist der erste Wissenschaftler weltweit, der sowohl den Nobelpreis für Physik als auch den Ig-Nobelpreis für Physik gewonnen hat. Für die Entdeckung des Graphens erhielt er 2010 den Nobelpreis für Physik und für sein Experiment, einen Frosch in der Schwebe zu halten, den Ig-Nobelpreis für Physik 2000. Er platzierte einen Frosch in einem starken Magnetfeld von 16 T. Der Frosch konnte im Magnetfeld schweben, weil der Frosch eine organische Substanz ist, die einen großen Wasseranteil enthält und einen gewissen Grad an Antimagnetismus besitzt. Tatsächlich sind es nicht nur Frösche. Da das 16-T-Magnetfeld so stark ist, kann sogar ein Wassertropfen im Magnetfeld schweben.

Handelt es sich um einen Supraleiter gleicher Größe, ist sein Antimagnetismus natürlich am stärksten und es ist nur ein Magnetfeld von etwa 0,5 T erforderlich, um die Schwebe zu erreichen.

Südkorea behauptet, die Supraleitung bei Raumtemperatur reproduziert zu haben?

Wenn Sie sich das Video des südkoreanischen Teams zur Magnetschwebetechnik genau ansehen, werden Sie feststellen, dass das Material, das sie ursprünglich hergestellt hatten, eine komplett runde Pfannkuchenform hatte. Um das Phänomen der Schwebe zu zeigen, schlug das Team jedoch absichtlich ein Stück des Materials ab, sodass ein Ende des Materials schwer und das andere leicht wurde, und erreichte durch die ungleichmäßige Krafteinwirkung das Phänomen der Verformung. Das Motiv für die Zerstörung des Materials selbst ist sehr verdächtig.

Wenn das Material dünn und leicht genug ist oder wenn stärkere NdFeB-Magnete verwendet werden, kann es aufgrund seines Antimagnetismus möglicherweise vollständig aufgehängt werden. Und tatsächlich veranschaulicht das kürzlich von einem inländischen Verifizierungsteam veröffentlichte Verifizierungsvideo diesen Punkt. Die von einem Team hergestellten Materialien sind dünn genug, um tatsächlich eine Aufhängung über dem Magneten zu erreichen.

Hier kann ich Ihnen jedoch eine sehr einfache Möglichkeit nennen, die Suspension gewöhnlicher diamagnetischer Materialien von der Suspension von Supraleitern zu unterscheiden. Dabei wird das Material unter den Magneten gelegt, um zu sehen, ob es unter dem Magneten schwimmt. Supraleiter, die magnetische Levitation ermöglichen, können nicht nur über dem Magneten schweben, sondern auch unter dem Magneten hängen. Da die magnetischen Flusslinien tatsächlich teilweise in den Supraleiter eindringen und vom Supraleiter stark abgestoßen werden, können die supraleitenden Elektronen die magnetischen Flusslinien festhalten und eine sehr starke Kraft erzeugen, sodass es ausreicht, die Schwerkraft zu überwinden, egal ob sie schweben oder aufgehängt sind. Gewöhnliche diamagnetische Materialien können jedoch nicht unter einem Magneten aufgehängt werden, da die diamagnetischen Eigenschaften solcher Materialien sehr schwach sind. Die meisten magnetischen Flusslinien können die Materialien ohne große Kraft durchdringen. Mithilfe einer winzigen diamagnetischen Abstoßung können sie über einem Magneten schweben. Wenn es unter einen Magneten gehalten wird, wird es sofort freigelegt, während gewöhnliche antimagnetische Materialien ohne Zögern herunterfallen.

Daher sind die meisten professionellen inländischen Forschungsteams nicht sehr begeistert davon, die Ergebnisse des koreanischen Teams zu reproduzieren, da es auf den ersten Blick nicht wie supraleitende Magnetschwebetechnik aussieht. Wenn wir behaupten möchten, dass wir supraleitende Materialien bei Raumtemperatur und -druck hergestellt haben, müssen wir möglicherweise einfach überprüfen, ob wir sie bei Raumtemperatur unter einem Magneten schweben lassen können. Was die Tatsache betrifft, dass ein gewisses amerikanisches Unternehmen, Taiji Quantum, behauptet, ein Patent für Supraleitung bei Raumtemperatur erhalten zu haben, so kann nicht ausgeschlossen werden, dass es sich hierbei um ein operatives Mittel auf dem Kapitalmarkt handelt und nicht mehr in den Bereich der wissenschaftlichen Forschung fällt.

Generell ist die Suche nach Materialien, die bei Raumtemperatur und -druck einsetzbar sind, noch weit. Derzeit gibt es keine eindeutige Theorie, die den Menschen sagen könnte, welche Art von Materialien bei Raumtemperatur und -druck Supraleitung erreichen können, und selbst die Erklärung des Phänomens der Hochtemperatur-Supraleitung von 40 K bis 165 K (-233 °C bis -108 °C) ist noch lange nicht abgeschlossen.

Obwohl einige fragwürdige Forschungsaktivitäten derzeit die Aufmerksamkeit der Menschen auf sich ziehen, ist es möglich, dass in ferner Zukunft plötzlich ein „schwarzer Schwan“ auftaucht, wenn es gelingt, mehr Menschen dazu zu bewegen, die Supraleitung von Materialien unter verschiedenen Gesichtspunkten zu synthetisieren und zu testen. Wir freuen uns auf diesen Tag.

Autor: Geng Zhihao, Außerordentlicher Professor der Beijing University of Chemical Technology

Rezension | Luo Huiqian, Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Produzent | Populärwissenschaft China Central Kitchen