Der in Nature veröffentlichte Artikel über Supraleitung bei Raumtemperatur löste einen Physiksturm aus! Kommt der Frühling der supraleitenden Anwendungen wirklich?

Der Weg zur Entwicklung von supraleitenden Materialien, die für den zivilen Markt geeignet sind, ist lang und beschwerlich. Von supraleitenden Generatoren und supraleitenden Gleichstromübertragungsleitungen, die große Mengen elektrischer Energie fast ohne zusätzlichen Energieverbrauch übertragen können, bis hin zu Signalkommunikations-Basisstationen mit größerer Signalabdeckung und stärkeren Entstörungsfunktionen … Mit schrittweiser Erforschung wartet die supraleitende Technologie auf den nächsten Frühling.

Geschrieben von Reporter Wang Xueying, Foto- und Textbearbeitung von Ji Jingjing

Interview-Experten:

Li Tao (Professor der Fakultät für Physik, Renmin-Universität China)

Am 8. März gab Professor Ranga Dias von der University of Rochester auf der Jahrestagung der American Physical Society bekannt, dass sein Team in einem Materialsystem aus Lutetium, Stickstoff und Wasserstoff unter einem Druck von 1 GPa (ungefähr 10.000 Atmosphären) eine Supraleitung bei Raumtemperatur von 294 K (Kelvin) oder etwa 21 °C über Null erreicht habe. Das entsprechende Papier wurde am frühen Morgen des 9. März offiziell in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Diese Nachricht versetzte Physiker weltweit zunächst in große Unruhe. Den Bildern und Berichten zufolge, die an jenem Tag vom Konferenzort eintrafen, gerieten die zahlreichen Physikgrößen, die sich vor dem Veranstaltungsort versammelt hatten, unmittelbar nach Bekanntwerden der Nachricht in Aufruhr, und das Sicherheitspersonal musste schon im Vorfeld weitere Personen am Betreten des Veranstaltungsortes hindern.

▲Die American Physical Society fand in Las Vegas statt (Foto aus dem Internet)

Zweitens alarmierte die Nachricht auch den A-Aktienmarkt. Einige Wertpapierfirmen hielten am 8. März bis spät in die Nacht ein Expertentreffen ab, und die Anleger untersuchten die ganze Nacht über die „Supraleitung bei Raumtemperatur“.

#Raumtemperatur-Supraleitung, ein akademischer Begriff in einem professionellen Bereich, hat nicht nur die großen sozialen Plattformen erobert, sondern sogar Freunde im Freundeskreis, die sich sonst nur für Laufen und Gesundheit interessieren, haben nachgehakt und nachgefragt: „Was genau ist Raumtemperatur-Supraleitung? Was hat sie mit uns zu tun?“

Was ist ein Supraleiter?

Bevor wir die Frage „Was ist Supraleitung bei Raumtemperatur“ beantworten, müssen wir zunächst über das Konzept „Supraleiter“ sprechen.

Supraleitung ist ein Phänomen, bei dem der Widerstand eines Materials unterhalb einer bestimmten Temperatur Null wird. Ein Supraleiter ist, wie der Name schon sagt, ein Objekt mit einer sehr guten elektrischen Leitfähigkeit.

Wie wir alle wissen, können Materialien aufgrund ihrer unterschiedlichen Leitfähigkeitseigenschaften grob in Leiter, Halbleiter und Isolatoren unterteilt werden. Metallische Materialien wie Eisen und Aluminium sind Leiter mit geringem elektrischen Stromwiderstand. In ihnen befindet sich eine große Zahl frei beweglicher geladener Teilchen. Diese Elektronen können sich unter der Einwirkung eines externen elektrischen Felds „frei bewegen“ und einen deutlichen elektrischen Strom bilden. Aus diesem Grund können Leiter problemlos Elektrizität leiten; Im Gegenteil, Isolatoren wie Gummi und Kunststoff weisen einen extrem hohen Widerstand auf, und geladene Teilchen sind um Atome herum „gefangen“ und können sich nicht „frei bewegen“, sodass sie den Strom nicht so leicht leiten können. Bei Halbleitern wie Silizium, Germanium und Galliumarsenid handelt es sich um Materialien mit Eigenschaften, die zwischen den ersten beiden liegen.

Gemäß dem Jouleschen Gesetz erzeugt der Widerstand unabhängig von der Leitfähigkeit eines Leiters Joule-Wärme, was zu einem zusätzlichen Energieverbrauch führt. Wenn wir elektrischen Strom ohne Energieverlust übertragen wollen, muss der Widerstand theoretisch Null sein, und Supraleiter sind ein ideales Material dafür.

Bei einer bestimmten Temperatur kann sein Widerstand Null werden und der Verlust bei der Stromübertragung beträgt ebenfalls Null. Es entsteht nicht nur keine Wärme, sondern es ist auch keine Spannung an beiden Enden des Kabels erforderlich.

Neben dem Nullwiderstand und Nullverlust sind auch die völlig antimagnetischen Eigenschaften der Supraleiter attraktiv. Einfach ausgedrückt: Wenn wir einen Magneten direkt unter einen Supraleiter platzieren und der Magnet ein Magnetfeld erzeugt, erzeugt der Supraleiter aufgrund seiner absoluten Abstoßung des Magnetfelds ein entgegengesetztes Magnetfeld und stößt somit den Magneten ab. Wenn diese Abstoßungskraft und die Schwerkraft des Supraleiters ausgeglichen werden können, kann der Supraleiter aufgehängt werden.

▲Supraleiter schweben aufgrund ihrer völlig antimagnetischen Eigenschaften in der Luft (Quelle: Quanta)

Durch Ausnutzung der Eigenschaften von Supraleitern können diese zum „Anheben“ schwerer und riesiger Waggons verwendet werden, wie beispielsweise auf der Teststrecke der Niedertemperatur-Supraleiter-Magnetschwebebahn der MLX-Serie der japanischen JR-Linie. Sie können auch verwendet werden, um Schwerkraftänderungen über einen langen Zeitraum zu überwachen, Gezeiten zu beobachten, Erdbeben zu erkennen usw., wie beispielsweise die Magnetschwebebahn-Gravimeter, die häufig in der astronomischen und geographischen Forschung verwendet werden. Der „Josephson-Effekt“ von Supraleitern bedeutet, dass Elektronen, wenn zwischen zwei Supraleitern eine Isolierschicht angeordnet ist und die Dicke dieser Isolierschicht nahezu der eines Atoms entspricht, direkt durch die Isolierschicht hindurchtreten können, wodurch ein Tunnelstromphänomen entsteht. Durch Ausnutzung dieser Eigenschaft können nicht nur supraleitende Computer hergestellt werden, die schneller sind und weniger Energie verbrauchen, sondern auch supraleitende Quanteninterferenzgeräte, die empfindlicher sind und weniger Rauschen erzeugen.

Mit anderen Worten: Wenn es tatsächlich ein supraleitendes Material gibt, das in großem Maßstab kommerziell genutzt werden kann, wird dies eine große Veränderung bedeuten, die viele Bereiche betreffen wird.

Feststeckende Temperatur

Der Grund, warum Supraleiter als ideale Materialien gelten, liegt jedoch darin, dass sie wirklich schwer zu finden sind. Bislang ist die Anwendung von Supraleitern noch immer hauptsächlich auf bestimmte experimentelle Szenarien wie Teilchenbeschleuniger und supraleitende Quanteninterferenzgeräte beschränkt. Der Hauptgrund für die Einschränkung ihrer großflächigen kommerziellen Nutzung ist die Temperatur.

In der Physik wird die Temperatur, bei der ein supraleitendes Material in den supraleitenden Zustand übergeht, als supraleitende kritische Temperatur bezeichnet. Im Jahr 1911 entdeckten Wissenschaftler der Universität Leiden in den Niederlanden, dass der Widerstand von metallischem Quecksilber unter 4,2 K plötzlich verschwand. Dies war das erste von Menschen entdeckte Phänomen der Supraleitung.

In den mehr als 100 Jahren seitdem hat der Mensch verschiedene Arten supraleitender Materialien entdeckt, etwa Legierungen, intermetallische Verbindungen und sogar organische Verbindungen. Die Wissenschaftler waren zwar erfreut, stellten jedoch fest, dass die kritische Temperatur, die zum Erhalt der supraleitenden Eigenschaften dieser Materialien erforderlich ist, im Allgemeinen sehr hoch ist und grundsätzlich unter 50 K (ca. -220 °C) liegt. Ohne flüssigen Stickstoff oder flüssiges Helium ist es fast unmöglich, diese Temperatur zu erreichen. Aus diesem Grund ist hoher Druck die wichtigste Methode, um die kritische Temperatur der Supraleitung zu erhöhen.

Stellen Sie sich vor: Wenn ein Material nur bei einer Temperatur von mehreren hundert Grad unter Null Celsius oder unter extrem hohem Druck von über 100 GPa richtig funktioniert, wie wahrscheinlich ist es dann, dass diese Technologie im großen Maßstab auf dem Markt Anwendung findet – denken Sie daran, dass der Druck im Erdmittelpunkt nur 370 GPa beträgt! Gibt es kein Material, das seine supraleitenden Eigenschaften bei Raumtemperatur (300 K, etwa 27 °C) beibehalten kann, sei es unter extremen Kühlbedingungen oder unter furchterregenden Hochdruckbedingungen?

Der Weg zur Entdeckung von Supraleitern bei Raumtemperatur ist zweifellos lang.

Lange Zeit glaubten Forscher, dass die Temperatur des supraleitenden Übergangs 30 K nicht überschreiten könne. Im Jahr 1986 ebnete die Entdeckung von Hochtemperatur-Supraleitern aus Kupferoxid den Weg für die menschliche Erforschung von Hochtemperatur-Supraleitermaterialien. Hochtemperatur-Supraleiter aus Kupferoxid sind nicht nur die ersten Supraleiter, deren Sprungtemperatur den Siedepunkt von flüssigem Stickstoff übersteigt (der Siedepunkt von flüssigem Stickstoff liegt bei 77 K, also etwa -196 °C. Eine Sprungtemperatur, die über dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff liegt, bietet sehr günstige Bedingungen für die kommerzielle Anwendung von Supraleitern), sondern es wird auch allgemein angenommen, dass der Supraleitungsmechanismus von Hochtemperatur-Supraleitern aus Kupferoxid den Beschreibungsrahmen der traditionellen Elektron-Phonon-BCS-Theorie übersteigt, was einen breiten Vorstellungsraum für die Erforschung von Supraleitern mit besserer Leistung bietet.

Im Jahr 2015 entdeckte das Max-Planck-Institut für Chemie in Deutschland, dass Schwefelwasserstoffverbindungen bei einer Temperatur von etwa -70 °C und einem Druck von 150 GPa Supraleitung aufweisen. Vier Jahre später entdeckte das Forschungsteam außerdem, dass Lanthandecahydrid unter Hochdruckbedingungen nur -23 °C benötigt, um in den supraleitenden Zustand überzugehen …

Es besteht kein Zweifel daran, dass die kritische Temperatur der Supraleitung für neue Materialien dank der unermüdlichen Bemühungen vieler Wissenschaftler ständig verbessert wird. Dennoch kann man sich noch immer nicht von der Voraussetzung ultrahohen Drucks lösen, für den es in der Praxis keine Anwendungsszenarien gibt.

Eine Zeit lang schien die menschliche Forschung zur Supraleitung bei Raumtemperatur an einem Engpass angelangt zu sein.

▲ In der Studie aus dem Jahr 2020 verwendete die Universität Rochester einen speziellen Diamantamboss, dessen Hauptbestandteil zwei „Punkt-zu-Punkt“-Diamanten waren. (Fotoquelle: University of Rochester)

Im Jahr 2020 erklärte das Team um Ranga Dias an der Universität Rochester, dass sie versucht hätten, drei Elemente – Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff – zu mischen. Mithilfe von Laserbestrahlung und Diamantambossen sei es ihnen gelungen, das Material bei einer Raumtemperatur von etwa 15 °C (287,7 K) in einen supraleitenden Zustand zu versetzen. Obwohl für das Experiment noch immer Hochdruckbedingungen erforderlich sind – die Kompression des Diamantambosses erzeugt einen hohen Druck von 267 GPa – schockierte die kritische Temperatur der Forschung, die nahe der Raumtemperatur liegt, dennoch die Welt. Die international anerkannte Fachzeitschrift Nature veröffentlichte zu diesem Anlass sogar eine Titelausgabe ... Über Nacht scheint der große Wunsch der Menschheit, Supraleitung bei Raumtemperatur zu erreichen, in greifbare Nähe gerückt.

Die Begeisterung hielt jedoch nicht lange an, und in der Branche kamen erste Zweifel auf. Viele führende Wissenschaftler stellten die Daten in Frage: „Früheren Theorien zufolge haben Experimente in den letzten Jahren die kritische Temperatur der Supraleitung sehr nahe an die Raumtemperatur gebracht oder sogar viel höher als die Raumtemperatur, aber dies hat keine breite Beachtung gefunden oder wurde offiziell veröffentlicht.“

Einige Experimentalphysiker meinten, dass Ranga Dias‘ „Papierdaten zu schön seien, der Übergang zum Nullwiderstand der Supraleitung sehr steil sei und es eine Reihe von Problemen mit den entsprechenden Ergebnissen gebe.“ Einige theoretische Physiker erklärten sogar unverblümt, dass die „Datenergebnisse seiner Forschung den Grundlagen der Physik widersprechen“.

Schließlich beschloss das Magazin Nature im September 2022, den Artikel trotz heftiger Kontroversen und des starken Widerstands von neun Autoren, darunter Ranga Dias, zurückzuziehen.

Wie weit sind wir von supraleitenden Materialien bei Raumtemperatur und -druck entfernt?

Wenn die Forschung des Teams um Ranga Dias zertifiziert werden kann, wäre dies ein Meilenstein in der Erforschung von Raumtemperatur-Supraleitern. Obwohl der Luftdruck von 1 GPa immer noch sehr hoch ist und dem 10.000-fachen des atmosphärischen Drucks entspricht, ist er im Vergleich zu dem Luftdruck, der in der Vergangenheit zum Erreichen der Supraleitung bei Raumtemperatur verwendet wurde, erheblich reduziert.

Betroffen vom vorangegangenen „Sturm der Rücknahmen“ erklärte die Zeitschrift jedoch, sie werde eine „strengere Prüfung“ der Forschungsergebnisse vornehmen. Gleichzeitig wurden in Dias‘ Artikel zahlreiche experimentelle Daten und Videos veröffentlicht. Diese experimentellen Bedingungen seien nicht schwer zu wiederholen und „die Ergebnisse werden bald bekannt sein.“

In einem Interview mit den Medien sagte Sun Liling, ein Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, dass man erwarte, dass diese Angelegenheit von weiteren experimentellen Forschungsgruppen bestätigt werde, die Forschungsergebnisse jedoch einer genauen Prüfung unterzogen werden müssten. „Es ist erwähnenswert, dass die Farbe des in Dias‘ Bericht gezeigten Probenfotos blau ist, was sich völlig von den schwarzen und braunen Farben der Supraleiter unterscheidet, die wir normalerweise sehen. Wenn diese Farbe der tatsächlichen Farbe der Probe entspricht, bedeutet dies, dass dieser Supraleiter, selbst wenn andere Forschungsgruppen seine Supraleitung in Zukunft experimentell bestätigen können, nicht der Supraleiter sein dürfte, den wir bisher kannten“, sagte sie.

▲ Ein Screenshot des experimentellen Videos in Dias‘ neuestem Artikel, in dem die Probe unter Umgebungsdruck blau ist.

Li Tao, Professor am Fachbereich Physik der Renmin-Universität China, äußerte sich hierzu positiver. „Ich persönlich glaube, dass diese Entdeckung von großer Bedeutung sein wird, wenn sie bestätigt wird.“ Li Tao erklärte Reportern, dass der Supraleitungsmechanismus dieses Systems zwar immer noch der traditionelle Elektron-Phonon-BCS-Mechanismus sein könnte, diese Entdeckung uns jedoch zweifellos dazu veranlassen werde, über die Grenzen des Anwendungsbereichs dieser traditionellen Supraleitungstheorie nachzudenken. Insbesondere werde sie wichtige Anregungen für die Erforschung von Supraleitern liefern, die die sogenannte „McMillan-Grenze“ durchbrechen (der Physiker McMillan schloss einst aus der Elektron-Phonon-BCS-Theorie, dass es eine Obergrenze für die kritische Temperatur von Supraleitern gibt. Allgemein wird angenommen, dass der aktuelle Rekord für die kritische Temperatur von Supraleitern mit Elektron-Phonon-Mechanismus unter Normaldruck bei 39 K liegt, erreicht in MgB2, also etwa -234 °C). Er sagte: „Obwohl die kritische Temperatur von Supraleitern nicht der einzige Faktor ist, der ihre Anwendung einschränkt, können wir, wenn sich diese Entdeckung bestätigt, zumindest lernen, wie man Bedingungen schafft, die die kritische Temperatur unter normalen Druckbedingungen erhöhen.“

Nach Ansicht von Luo Huiqian, einem Forscher am Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, ist die Probenausbeute auf der Grundlage der aktuellen Hochdrucksynthese-Messtechnik sehr gering und unter Normaldruck möglicherweise nicht stabil, sodass die Supraleitung bei Raumtemperatur wahrscheinlich nicht in großem Maßstab eingesetzt wird. Wenn es jedoch in Zukunft gelingt, supraleitende Materialien ohne hohen Druck zu synthetisieren, werden sie ein breites Anwendungsspektrum haben, auch wenn die Temperatur zwar nicht die Raumtemperatur erreicht, aber nahe daran liegt.

Tatsächlich befand sich die weltweite Forschung zu supraleitenden Materialien im letzten Jahrzehnt trotz gelegentlicher neuer Entdeckungen in einer peinlichen Engpassphase. Der Grund hierfür liegt darin, dass die „Kommerzialisierung“ das am schwersten zu überwindende Hindernis sein könnte: Wie lassen sich neue Entdeckungen im Labor tatsächlich auf einem kommerziellen Markt anwenden, wo Kosten und Effizienz im Vordergrund stehen und die Produktionsbedingungen eingeschränkt sind? Diese Frage scheint schwer zu beantworten.

„Obwohl in Laboren nach und nach neue Materialien mit höheren kritischen Temperaturen gefunden wurden, konnten diese neuen Materialien nie den kommerziellen Markt erobern und haben aufgrund von Faktoren wie Preis und Leistung keine Möglichkeit, in der Praxis eingesetzt zu werden“, sagte ein Brancheninsider, der anonym bleiben wollte.

Heutzutage ist die Supraleitungstechnologie für die meisten Menschen immer noch ein großes Mysterium und führt sogar oft zu „Missverständnissen“: Wenn es um Supraleitungstechnologie geht, denken die Leute immer an Magnetschwebebahnen, aber in Wirklichkeit verwenden die meisten Magnetschwebebahnen im wirklichen Leben herkömmliche Leiter, wie zum Beispiel die Magnetschwebebahnen in Deutschland und Shanghai in China. Mit Supraleitertechnologie haben diese Züge wenig zu tun. Im Gegensatz dazu ist die in Krankenhäusern eingesetzte Magnetresonanztomographie (MRT), insbesondere MRTs über 1,5 Tesla, die supraleitende Technologie, die dem Durchschnittsbürger am nächsten kommt.

Im Vergleich zu Technologien wie der CT-Bildgebung ist die MRT nicht nur strahlungsfrei, sondern kann Ärzten auch Kontrastbilder mit reicherem Inhalt und klarerer Wirkung liefern, insbesondere bei der Kontrastbildgebung verschiedener Weichteile wie Gehirn und Rückenmark oder Teilen des zentralen Nervensystems. Heute kann die 9,4-Tesla-Ultrahochfeld-MRT Menschen nicht nur theoretisch dabei helfen, Diabetes und Herzkrankheiten zu erkennen, sondern sie könnte sogar dabei helfen, Alzheimer in einem frühen Stadium zu erkennen. Sie bietet den Menschen damit eine bessere technische Unterstützung bei der Bekämpfung dieser hartnäckigen Krankheiten, die „schwer zu behandeln, sondern nur zu verhindern“ sind.

Es ist nicht einfach, für den zivilen Markt geeignete supraleitende Materialien zu finden. Obwohl der Weg lang und beschwerlich ist, hat die Menschheit nie aufgehört, nach supraleitenden Materialien zu suchen. Von supraleitenden Generatoren und supraleitenden Gleichstromübertragungsleitungen, die große Mengen elektrischer Energie fast ohne zusätzlichen Energieverbrauch übertragen können, bis hin zu Signalkommunikations-Basisstationen mit größerer Signalabdeckung und stärkeren Entstörungsfunktionen … Mit schrittweiser Erforschung wartet die supraleitende Technologie auf den nächsten Frühling.

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