„Supraleitung bei Raumtemperatur“ ist wieder in allen Nachrichten! Was ist das? Wie wird es die Welt auf den Kopf stellen? Ein Artikel zum Verständnis

Ende letzten Monats gab ein südkoreanisches Forscherteam die Entdeckung eines Supraleiters namens LK-99 (eine Verbindung aus Chalkopyrit und Kupferphosphid) bekannt, der bei Raumtemperatur und unter Druck funktioniert. Sobald die Nachricht herauskam, erregte sie die Aufmerksamkeit der Menschen auf der ganzen Welt.

Schließlich geht man davon aus, dass die Supraleitung bei Raumtemperatur die nächste industrielle Revolution einleiten und das tägliche Leben der Menschen völlig umkrempeln wird .

Vorgestern reichte das Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) in den USA ein Papier auf arXiv ein, in dem es heißt, dass seine experimentellen Ergebnisse LK-99 als Supraleiter bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck unterstützen.

Außerdem hat das USTC-Team gestern die Brennergebnisse des LK-99-Materials im Internet aktualisiert und ein sehr kleines Stück davon zeigte Antimagnetismus; Die Ärzte der Huazhong University of Science and Technology behaupteten, dass sie „zum ersten Mal die Synthese von LK-99-Kristallen nachgewiesen haben, die magnetisch aufgehängt werden können.“ Obwohl es sich nicht um eine echte Schwebe handelt, ist sein Winkel größer als der magnetische Schwebewinkel der Probe im Video des koreanischen Forschungsteams.

Darüber hinaus gab Professor Sun Yue von der Southeast University den gesamten Ablauf des Supraleitungsexperiments bei Raumtemperatur an Bilibili bekannt, sagte jedoch, dass keine Signale beobachtet wurden, die auf Supraleitung hindeuten könnten, und dass die hergestellten Proben und Magnete kein Schwebephänomen hervorriefen.

Ebenso behauptete das Beihang-Team, dass sie in LK-99 keine Supraleitung gefunden hätten, insbesondere da sie das Röntgenbeugungsmuster des südkoreanischen Teams mit ihren eigenen Ergebnissen verglichen und bestätigt hatten, dass sie dasselbe festgestellt hatten.

Eine Zeit lang löste die LK-99-Verifizierung einen „Wiederauftauchenstrend“ aus.

Wissenschaftler im In- und Ausland diskutieren darüber und in den Kommentarbereichen der großen Social-Media-Plattformen herrscht äußerst reger Betrieb. Aber verstehen Sie beim Genuss der Melone wirklich, was Supraleitung ist? Was ist Supraleitung bei Raumtemperatur? Wie wird es die Welt verändern?

Supraleitung: Der Heilige Gral der Physik

Um die Bedeutung der Supraleitung bei Raumtemperatur zu verstehen, müssen wir zunächst verstehen, was Supraleitung ist.

Laut Wikipedia bezieht sich Supraleitung auf das Phänomen, dass der Widerstand eines Materials Null wird, wenn die Temperatur unter einem bestimmten Niveau liegt. Diese Temperatur wird als supraleitende Übergangstemperatur (Tc) bezeichnet.

Wenn Elektronen durch typische leitende Materialien fließen, stoßen sie auf Hindernisse in Form von Atomen, die Widerstand erzeugen und so zu Wärmeableitung und Energieverlust führen. Dennoch ist das Phänomen der Supraleitung faszinierend. Bei extrem niedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt können sich Elektronen paaren und sich mühelos durch Materialien bewegen, wobei sie den Widerstand ignorieren und Strom ohne Verluste leiten. Dieser fehlende Widerstand ermöglicht eine nahezu perfekte Energieübertragung.

Die Kennzeichen der Supraleitung sind der völlige elektrische Widerstand und der perfekte Diamagnetismus, letzterer auch als Meissner-Effekt bekannt. Allerdings konnte bei der aktuellen erfolgreichen Reproduktion von LK-99 nur die vollständige Antimagnetizität nachgewiesen werden, und der Nullwiderstandsaspekt muss noch nachgewiesen werden.

Traditionell erfordern Supraleiter ultraniedrige Temperaturen, um ihre außergewöhnlichen Eigenschaften zu entfalten, sodass ihre praktische Anwendung auf spezielle Branchen beschränkt ist. Die Entdeckung von „Hochtemperatur“-Supraleitern Ende der 1980er Jahre weckte neue Hoffnung, da sie bei Temperaturen betrieben werden konnten, die mit relativ billigem flüssigem Stickstoff erreicht werden konnten. Dennoch bleiben diese Hochtemperatur-Supraleiter spröde und in praktischen Anwendungen schwierig zu verarbeiten, was ihren weitverbreiteten Einsatz behindert.

Aus diesem Grund haben immer mehr wissenschaftliche Forschungsteams begonnen, die Möglichkeit von Supraleitern bei Raumtemperatur zu untersuchen. In den letzten Jahren wurden zahlreiche entsprechende Studien veröffentlicht, die jedoch letztlich gefälscht und zurückgezogen wurden.

Raumtemperatur -Supraleiter , auch Normaltemperatur-Supraleiter genannt, sind Materialien, die bei Temperaturen über null Grad Celsius Supraleitung erzeugen können. Im Vergleich zu anderen Supraleitern sind die Bedingungen von Supraleitern bei Raumtemperatur Arbeitsbedingungen, die im täglichen Leben leichter zu erreichen sind.

Sobald die Supraleitung bei Raumtemperatur erreicht ist, wird sie die Strom- und Elektronikindustrie völlig verändern, da sie eine Stromübertragung ohne jeglichen Widerstand ermöglicht und so zu beispielloser Effizienz und technologischem Fortschritt führt.

Der Hochtemperatur-Supraleiter ist im Jahr 2020 ein Ultrahochdruck-Kohlenstoff-Schwefelwasserstoff-System mit einem Druck von 267 GPa und einer kritischen Temperatur von +15 Grad Celsius.

Wie würde die Welt aussehen, wenn Supraleitung bei Raumtemperatur erreicht würde?

Angesichts der kontinuierlichen Entwicklung und Erforschung der Supraleitungstechnologie bei Raumtemperatur sind die Menschen voller Erwartungen, ob sie die vierte industrielle Revolution auslösen kann. Der diesmal entdeckte neue Raumtemperatur-Supraleiter LK-99 könnte Träume wahr werden lassen, sobald er reproduziert wird.

Hier kommt also die Frage. Wie würde unsere Welt aussehen, wenn Supraleitung bei Raumtemperatur erreicht würde? Hier sind einige Beispiele, die Ihnen den Einstieg erleichtern:

1. Effizientere Batterien

Der Einsatz von Supraleitern bei Raumtemperatur in Batterien könnte die Energiespeicherkapazität erheblich erhöhen und die Ladezeiten einer Vielzahl von Geräten, darunter Smartphones, Laptops und Elektrofahrzeuge, verkürzen. Dies führt zu einer länger anhaltenden, zuverlässigeren Stromversorgung und verbessert das Nutzungserlebnis im Alltag.

2. Quantencomputer

Supraleiter bei Raumtemperatur könnten zu großen Durchbrüchen in der Quanteninformatik führen. Supraleitende Materialien sind für die Erzeugung und Aufrechterhaltung der empfindlichen Quantenzustände, die für die Durchführung komplexer Berechnungen erforderlich sind, von entscheidender Bedeutung. Wenn sich LK-99 als brauchbarer Supraleiter bei Raumtemperatur erweist, könnte dies den Weg für leichter zugängliche und praktischere Quantencomputer ebnen und zahlreichen Branchen schnellere und leistungsfähigere Datenverarbeitungsmöglichkeiten bieten.

3. Speicherung erneuerbarer Energien

Erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windenergie erzeugen Strom in der Regel nur unregelmäßig. Mit dem Potenzial von Supraleitern bei Raumtemperatur ist es jedoch möglich, überschüssige Energie während Spitzenzeiten effizient zu speichern. Diese gespeicherte Energie kann in Zeiten geringer Stromerzeugung freigesetzt werden, wodurch eine kontinuierliche und stabile Versorgung mit erneuerbarer Energie sichergestellt wird und es realistischer wird, sich bei der Deckung des täglichen Strombedarfs auf saubere Energie zu verlassen.

4. Die Leistung und Reichweite von Land-, See- und Luftfahrzeugen wird sprunghaft ansteigen

Der Einsatz von Supraleitern bei Raumtemperatur in Elektromotoren und Antriebssystemen könnte zu großen Fortschritten im Transportwesen führen. Elektrofahrzeuge, Flugzeuge, Schiffe und Züge können von Verbesserungen der Energieeffizienz und Leistung profitieren. Mit LK-99 können Elektrofahrzeuge eine größere Reichweite und schnellere Lademöglichkeiten erreichen, wodurch sie sich besser für den täglichen Arbeitsweg eignen und den CO2-Ausstoß reduzieren.

5. Ultraschneller Magnetzug

Durch die Reduzierung der Energieverluste während des Antriebs könnten Supraleiter bei Raumtemperatur Magnetschwebebahnen höhere Geschwindigkeiten ermöglichen und das tägliche Pendelerlebnis für Fahrgäste in städtischen Gebieten verbessern.

6. Verbessern Sie die Effizienz der Energieverteilung

Der Einsatz von Raumtemperatur-Supraleitern in Stromübertragungssystemen kann die Energieverluste bei der Stromverteilung über große Entfernungen deutlich reduzieren. Diese erhöhte Effizienz wird die Stromkosten senken und ein zuverlässigeres Netz ermöglichen.

Es ist zu beachten, dass die oben genannten Anwendungsbereiche lediglich spekulativ sind und von der wissenschaftlichen Gemeinschaft noch nicht anerkannt wurden. Bis heute konnten Konzept und Realisierung von Raumtemperatur-Supraleitern ähnlich LK-99 nicht bewiesen werden und ihr wahres Potenzial und ihre praktische Anwendbarkeit bleiben weiterhin im Dunkeln.

Doch trotz der Aufregung kommen bei manchen auch Zweifel auf. Im Bereich der Supraleitung wurden in der Vergangenheit mehrere Behauptungen über Supraleiter bei Raumtemperatur aufgestellt, die einer genaueren Prüfung nicht standhielten. Daher bleibt die wissenschaftliche Gemeinschaft vorsichtig und drängt auf eine weitere Überprüfung der Forschungsergebnisse des koreanischen Teams. Um die Gültigkeit ihrer Erkenntnisse zu bestimmen, sind von Experten begutachtete Forschung und eine unabhängige Replikation der Ergebnisse unerlässlich.

Es ist erwähnenswert, dass der südkoreanische Sender SBS News erst heute berichtete, der Erstautor der Abhandlung des südkoreanischen Forschungsteams zur Supraleitung bei Raumtemperatur habe die Rücknahme der Abhandlung gefordert, da diese Mängel aufweise. Nach der Verbesserung wurde es einer regulären Zeitschrift vorgelegt und der akademischen Gemeinschaft wurden Beispiele zur Prüfung zur Verfügung gestellt.

Künstliche Intelligenz (KI) existierte einst nur in der Science-Fiction, doch heute ist sie ein fester Bestandteil unseres täglichen Lebens geworden.

Heute beflügelt die Aussicht auf Supraleiter bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck die Fantasie von Wissenschaftlern und der Öffentlichkeit. Wenn dies gelingt, werden zahllose Grenzen der menschlichen Vorstellungskraft durchbrochen und wir werden in eine neue Ära des technologischen Fortschritts geführt.

Anhang: Überblick über die Entwicklungsgeschichte der Supraleitung

Im Jahr 1908 gelang es dem niederländischen Physiker Kamerlingh Onnes, Helium zu verflüssigen. Im Jahr 1911 stellte Onnes fest, dass der Widerstand von Quecksilber auf Null sank, als er die Temperatur des Quecksilbers mit flüssigem Helium auf 4,15 K senkte. Er nannte dieses Phänomen „Supraleitung“. Dafür erhielt er auch den Nobelpreis für Physik.

Seitdem ist Quecksilber der erste von Wissenschaftlern entdeckte Supraleiter mit einer supraleitenden Temperatur von 4,2 K. Die sogenannte Supraleitung Tc ist die supraleitende Übergangstemperatur, also die Temperatur, bei der ein Supraleiter aus einem Normalzustand in einen supraleitenden Zustand übergeht.

Im Jahr 1957 schlugen drei amerikanische Wissenschaftler, John Bardeen, Leon Neil Cooper und John Robert Schrieffer, die nach ihren Initialen benannte BCS-Theorie vor, die den mikroskopischen Mechanismus der Supraleitung erklärt.

Auf Grundlage dieser Theorie schlug der Wissenschaftler McMillan vor, dass es eine Obergrenze für die Temperatur des supraleitenden Übergangs geben könnte, die im Allgemeinen bei höchstens 40 K liegt. Dies ist die historisch bekannte McMillan-Grenze.

Im Jahr 1986 entdeckten der deutsche Wissenschaftler Johannes Bednorz und der Schweizer Wissenschaftler Karl Müller, dass keramische Metalloxide als Supraleiter verwendet werden können. Damit läuteten sie das Zeitalter der Hochtemperatur-Supraleiter auf Kupferbasis ein und erhielten dafür 1987 den Nobelpreis für Physik.

Im Jahr 1987 gelang es dem chinesisch-amerikanischen Wissenschaftler Zhu Jingwu, dem taiwanesischen Physiker Wu Maokun und dem festlandchinesischen Wissenschaftler Zhao Zhongxian, die kritische Temperatur der Supraleitung in Yttrium-Barium-Kupfer-Sauerstoff-Materialien nacheinander auf über 90 K anzuheben. Auch die „Temperaturbarriere“ von flüssigem Stickstoff (77 K) wurde durchbrochen.

Im Jahr 2008 entdeckten Hideo Hosono vom Tokyo Institute of Technology und seine Mitarbeiter eine neue Klasse von Supraleitern auf Eisenbasis. Anschließend wurde die kritische Temperatur der Supraleitung von Supraleitern auf Eisenbasis schnell auf 55 K erhöht.

Im Jahr 2012 entdeckten Xue Qikun von der Tsinghua-Universität und seine Mitarbeiter, dass eine einzelne atomare Schicht aus FeSe, die auf einem SrTiO3-Substrat gewachsen ist, eine supraleitende kritische Temperatur von über 77 K aufweist, was zugleich der höchste Rekordwert für die supraleitende kritische Temperatur für eisenbasierte Supraleiter ist.

Im Jahr 2015 entdeckten Physiker, dass Schwefelwasserstoff bei einer Temperatur von etwa 203 K (-70 °C) unter extrem hohem Druck (mindestens 150 GPa oder etwa 1,5 Millionen Standardatmosphären) einen supraleitenden Phasenübergang durchläuft, was ihn zum bislang höchsten bekannten Temperatur-Supraleiter macht.

Im Jahr 2018 veröffentlichte der chinesische Physikstudent Cao Yuan als Erstautor zwei Artikel in der Zeitschrift Nature und entdeckte darin, dass zwei Graphenschichten bei einer Temperatur von 1,7 K Supraleitung erreichten, wenn sie in einem Ablenkwinkel von 1,1 Grad gestapelt wurden.

Heute geht die Geschichte der Supraleitung weiter …

Autor: Yan Yimi Herausgeber: Academic Jun