Kommt die Supraleitung bei Raumtemperatur von 21 °C wirklich? Lass die Kugeln eine Weile fliegen

Frage, 8. März 2023

Welcher Tag ist heute?

Antwort: Frauentag

Und dann?

Dann……

Dieser Tag ist außerdem ein Tag der Märztagung der American Physical Society. Unterschätzen Sie diesen Tag nicht. Es scheint ein ganz normaler Tag zu sein, doch etwas könnte die Welt verändern und den Fortschritt der Physik für die Menschheit beeinflussen.

Das Dias-Team an der Universität Rochester gab bekannt, dass es einen Supraleiter entdeckt habe, der bei Raumtemperatur nahezu Normaldruck aushält , eine ternäre Phase , die aus drei Elementen besteht: Wasserstoff, Stickstoff und Lutetium . Das Forschungsteam geht davon aus, dass es eine Supraleitung bei Raumtemperatur von etwa 294 K (etwa 21 °C) bei etwa 10 kbar (1 GPa, entsprechend etwa 10.000 Atmosphären) erreichen kann.

Supraleiter | Bild aus dem Wiki

An dieser Stelle wird sich jemand fragen: Was ist Supraleitung und warum sind wir so begeistert von der Entdeckung der Supraleitung bei Raumtemperatur?

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Supraleitung und ihr Anwendungswert

Der supraleitende Zustand ist ein besonderer Zustand des Materials. Im supraleitenden Zustand befindet sich das Material in einem Zustand des Nullwiderstands . Im Physikunterricht der zweiten Klasse der Mittelschule lernen wir, dass Widerstand eine allgemeine Eigenschaft von Materialien ist. Wenn Strom durch das Material fließt, behindern sein inneres Gitter, Verunreinigungen usw. die Bewegung der Träger. Die von den Trägern selbst getragene Energie wird auf das Gitter übertragen, wodurch auf makroskopischer Ebene Joule-Wärme entsteht und das elektrische Potenzial entsprechend abnimmt.

Bei Supraleitern ohne Widerstand treten die oben genannten Probleme überhaupt nicht auf. Wenn elektrischer Strom durch einen Supraleiter fließt, entsteht weder Wärme noch Spannungsabfall, sodass der Strom ungedämpft im Supraleiter fließen kann.

Die Bedeutung von Supraleitern liegt auf der Hand. Wenn alle unsere Drähte aus Supraleitern bestehen würden, gäbe es keine Energiedämpfung . Die von uns derzeit verwendete Ultrahochspannungsübertragungstechnologie dient eigentlich dazu, die Spannung der Übertragungsleitung zu erhöhen, um den Energieverlust zu minimieren. Bei der Verwendung supraleitender Drähte besteht dieses Problem jedoch überhaupt nicht. Es wird die gesamte Branche völlig umschreiben. Wir können Strom direkt mit Netzspannung übertragen, ohne dass ein Umspannwerk erforderlich ist. Möglicherweise können wir Gleichstrom direkt nutzen.

Unsere UHV-Übertragungsleitungen könnten sich mit dem Aufkommen von Supraleitern ändern | Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

Aufgrund der Begrenzung der Supraleitung Tc (Supraleitungsübergangstemperatur, die sich auf die Temperatur bezieht, bei der ein Supraleiter aus einem Normalzustand in einen supraleitenden Zustand übergeht) ist diese Idee jedoch völlig unerreichbar. Die meisten der Supraleiter, die wir bisher entdeckt haben, haben einen Tc-Wert unter 77 K (-196 °C), dem Siedepunkt von flüssigem Stickstoff. Supraleiter mit einem Tc unterhalb dieses Wertes werden meist mit teurerem flüssigem Helium gekühlt, um in den supraleitenden Zustand zu gelangen. Nur eine kleine Anzahl von Supraleitern auf Kupferbasis weist einen Tc-Wert über 77 K auf und kann mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden, um in den supraleitenden Zustand zu gelangen.

Dennoch werden Supraleiter bereits in unserem täglichen Leben eingesetzt. Bei der Kernspintomographie in Krankenhäusern werden Supraleiter eingesetzt , was eine weitere wichtige Anwendungsrichtung von Supraleitern mit sich bringt, nämlich die Erzeugung großer Magnetfelder.

Dieses Ding hat einen Supraleiter im Inneren | Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

Was ist das Erste, woran wir denken, wenn wir ein großes Magnetfeld benötigen? Magnet? Nein, nein, nein, das Magnetfeld eines Permanentmagneten genügt unseren Anforderungen bei weitem nicht. Erinnern wir uns an die Physikkenntnisse, die wir im zweiten Jahr der Mittelschule erworben haben. Das ist richtig, ein eingeschaltetes Solenoid ! ! Mithilfe von elektrischem Strom können wir auch ein Magnetfeld erzeugen. Noch spannender ist, dass die Intensität der magnetischen Induktion proportional zur Stromstärke ist , d. h. je größer die Stromstärke, desto stärker das Magnetfeld .

Bei großen Strömen treten jedoch die beiden oben genannten Probleme auf: Joule-Erwärmung und Spannungsabfall . Große Ströme erzeugen Wärme. Noch schlimmer ist , dass die Joule-Erwärmung proportional zum Quadrat des Stroms ist . Daher wird bei jeder Erhöhung des Stroms das Magnetfeld entsprechend zunehmen, die Wärmeerzeugung wird jedoch quadratisch zunehmen und letztendlich wird der Großteil der Energie in innere Energie umgewandelt.

Bisher entdeckte Hochtemperatur-Supraleiter | Bild aus dem Wiki

Die Quelle der Joule-Wärme ist der Widerstand. Solange kein Widerstand vorhanden ist, kann der Einfluss der Joule-Wärme völlig vernachlässigt werden. Daher ist die Bedeutung von Supraleitern hier offensichtlich. Wenn wir Supraleiterdrähte zur Herstellung von Spulen verwenden, können wir die Stromstärke in der Spule nahezu unkontrolliert steigern (Magnetfelder können den supraleitenden Zustand auch unterdrücken. Dabei ist zu beachten, dass das erzeugte Magnetfeld die kritische Magnetfeldstärke des Supraleiters nicht überschreiten darf) und so ein starkes Magnetfeld erhalten . Dies ist die Ursache für den starken Magnetismus in der NMR.

Zusätzlich zu den oben genannten Szenarien hat auch die Josephson-Verbindung aus zwei verschiedenen Supraleitern einen wichtigen Anwendungswert. Wir können damit SQUID herstellen, das derzeit genaueste Gerät zur Magnetfelderkennung, das auch in supraleitenden Quantencomputern wichtige Anwendungen findet.

Nach der Lektüre sollten Sie ein gewisses Verständnis für die Bedeutung der Supraleitung bei Raumtemperatur haben. Wenn es uns tatsächlich gelingt, Supraleitung bei Raumtemperatur und Normaldruck zu entdecken, wird dies große Veränderungen in der gesamten menschlichen Gesellschaft mit sich bringen. Unsere bestehende Technologie könnte untergraben werden und die Energieprobleme würden erheblich gemildert, was für die gesamte Menschheit von großer Bedeutung wäre.

Lassen Sie uns kurz den Entdeckungsprozess der Supraleiter und ihre Transporteigenschaften vorstellen, der uns helfen wird, Dias‘ Arbeit zu verstehen.

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Die Entdeckung und der Mechanismus der Supraleitung

Im Jahr 1911 verbesserte Onnes die Kühlanlage und war der Erste, der die Temperatur unter den Siedepunkt von flüssigem Helium senkte. Während dieser Zeit entdeckte er, dass der Widerstand von Quecksilber bei 4,2 K plötzlich auf Null sank. Nach mehrmaliger Bestätigung kam er schließlich zu dem Schluss, dass es sich hierbei nicht um einen experimentellen Fehler oder Irrtum handelte, sondern um eine intrinsische Eigenschaft des Quecksilbers. Damit öffnete er die Tür zur Supraleitung. Quecksilber ist mit einem Tc von 4,2 K auch der erste Supraleiter, den wir entdeckt haben.

Tatsächlich verfügen viele Materialien über Supraleitung | Bild aus dem Wiki

Onnes maß nur den elektrischen Widerstand von Quecksilber, wodurch die Eigenschaft von Supraleitern beim elektrischen Transport, nämlich Nullwiderstand , zum Vorschein kam.

Onnes (erster von rechts) | Bild aus Wiki

Später, im Jahr 1933, als Meissner die Magnetfeldverteilung von Zinn- oder Bleimetallkugeln maß, die in den supraleitenden Zustand übergingen, entdeckte er, dass beim Übergang des Materials in den supraleitenden Zustand das darin enthaltene Magnetfeld schnell aus dem Körper verdrängt wurde und das Magnetfeld nur außerhalb des Supraleiters existierte. Der Supraleiter zeigte vollständigen Antimagnetismus . Dies ist der Meissner-Effekt .

Spätere Studien ergaben, dass Supraleiter weiter in Supraleiter vom Typ I und Supraleiter vom Typ II unterteilt werden können. Supraleiter vom Typ I weisen einen völlig antimagnetischen Effekt auf und es gibt in ihrem Inneren überhaupt kein Magnetfeld. Der zweite Supraleitertyp ermöglicht es dem Magnetfeld, im Inneren des Supraleiters magnetische Flussquanten zu erzeugen, das heißt, er ermöglicht es dem Magnetfeld, teilweise in den Supraleiter einzudringen.

Bei der oben beschriebenen Forschung zu Supraleitern geht es eher um die Erforschung ihrer Eigenschaften. Tatsächlich haben wir auch nach dem inneren Mechanismus der Supraleitung gesucht und ihr Wesen erforscht.

Der erste Versuch war die London-Gleichung , aber diese Theorie konnte die Beziehung zwischen Eindringtiefe und äußerem Magnetfeld nicht aufdecken. Um 1950 schlugen die ehemaligen sowjetischen Wissenschaftler Ginzburg und Landau eine phänomenologische Theorie zur Erklärung der Supraleitung vor – die Ginzburg-Landau-Theorie (GL-Theorie). Diese Theorie basiert auf Landaus Phasenübergangstheorie zweiter Ordnung und verwendet Ordnungsparameter zur Beschreibung von Supraleitern. Mit dieser Theorie lassen sich Supraleiter erfolgreich erklären. Die oben genannten Supraleiter des ersten und zweiten Typs werden durch die positiven und negativen Werte der Grenzflächenenergie bestimmt, die durch Lösen der GL-Gleichung erhalten werden.

Gemäß der GL-Theorie ist der Übergang eines Supraleiters von einem Normalzustand in einen supraleitenden Zustand ein Phasenübergang zweiter Ordnung . Daher können wir theoretisch bei der Messung der spezifischen Wärmekapazität einen Sprung oder einen Peak bei Tc feststellen . Dies wurde später experimentell bestätigt.

Elektrische und spezifische Wärmeeigenschaften eines idealen Supraleiters | Bild aus dem Wiki

Inzwischen dürfte Ihnen aufgefallen sein, dass sich Artikel zum Thema Supraleitung sehr einfach schreiben lassen. Messen Sie einfach den Widerstand, die magnetische Suszeptibilität und, wenn möglich, die spezifische Wärme. Auch wenn Sie die spezifische Wärme nicht messen können, ist das keine große Sache. Wenn Sie all dies erledigt haben, sind Sie fertig.

Abschließend möchte ich noch kurz erwähnen, dass die beste Theorie, die wir derzeit zur Erklärung der Supraleitung haben, die BCS-Theorie ist . Der Kern dieser Theorie besteht darin, dass bei der Kopplung von Elektronen an das Kristallgitter die Möglichkeit besteht, dass Elektronen Elektronen anziehen, sodass zwei Elektronen Cooper-Paare bilden . Die Elektronen, die Cooper-Paare bilden, können als Bosonen betrachtet werden. Bei niedrigen Temperaturen kommt es zur „Kondensation“ und die Energie kann in den kondensierten Cooper-Paaren ohne Verlust fließen, wodurch ein supraleitender Zustand entsteht.

Allerdings kann die BCS-Theorie nicht alle supraleitenden Zustände erklären . Basierend auf der BCS-Theorie haben wir die McMillan-Grenze berechnet, d. h., der Tc-Wert von Supraleitern, die der BCS-Theorie entsprechen, wird 40 K nicht überschreiten. Tatsächlich haben jedoch viele Supraleiter diese Grenze durchbrochen, beispielsweise Supraleiter auf Kupfer- und Eisenbasis. Solche Supraleiter werden Hochtemperatur-Supraleiter genannt, was bedeutet, dass ihr Tc im Vergleich zu früheren Supraleitern unter 20 K viel höher ist.

Ursprünglich wollte ich vorstellen, wie man im Experiment Hochspannung erzeugt, aber aus Platzgründen werde ich noch einmal darauf eingehen, wenn ich die Gelegenheit dazu habe.

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Neuer Raumtemperatur-Supraleiter

Mit diesem Vorwissen wollen wir nun einen Blick auf diesen Artikel werfen, der in Nature veröffentlicht wurde.

Haben Sie Dias‘ Namen gesehen? Der Letzte

Wie bei den meisten Arbeiten zur Supraleitung hat das Forschungsteam von Dias den elektrischen Transport, die magnetische Suszeptibilität und die spezifische Wärme der Proben gemessen.

Schauen wir uns zunächst die Ergebnisse der Widerstandsmessung an. Die linke Abbildung zeigt die Ergebnisse der Widerstandsmessung bei 10, 16 und 20 kbar (1, 1,6 und 2,0 GPa). Der Widerstand wird bei allen drei Spannungen auf 0 reduziert , was eine der Haupteigenschaften von Supraleitern ist. Es ist zu beachten, dass Tc mit 1 GPa am höchsten ist. Je niedriger der Druck, desto höher der Tc, was ein unerwartetes Ergebnis ist. Der Einschub zeigt ein Bild der Probe und der Elektrode. Die rechte Abbildung zeigt die VI-Kurven des supraleitenden Zustands und des Normalzustands.

Dieser Wert ist ein Maß für die magnetische Suszeptibilität . Abbildung a ist ein Diagramm, das die Änderung des magnetischen Moments bei 8 kbar (0,8 GPa) und einer Temperatur von 60 Oe zeigt (Oe ist die Einheit der magnetischen Feldstärke im Gaußschen System, die als Gauss verstanden werden kann, d. h. 1 T = 10.000 Oe). Es ist deutlich zu erkennen, dass sein Tc 277 K (4 °C) beträgt. Abbildung b zeigt die Beziehung zwischen dem magnetischen Moment und dem äußeren Magnetfeld, die ebenfalls mit den Eigenschaften eines Supraleiters übereinstimmt . Abbildung c zeigt die MT-Kurve unter verschiedenen Drücken. Der Tc stimmt hier mit dem auf dem Widerstand überein und der Übergangstemperaturbereich ist auch sehr klein, was einen sehr guten Übergang darstellt. In Abbildung a ist jedoch auch zu erkennen, dass das Forschungsteam einige Bearbeitungen an den Originaldaten vorgenommen hat.

Erwähnenswert ist hier noch, dass die Messung der magnetischen Suszeptibilität offensichtlich von Faktoren wie der Probenform und dem Hintergrund beeinflusst wird. Theoretisch sollten Supraleiter einen vollständigen Diamagnetismus aufweisen (d. h. 4πχ = -1), es ist jedoch verständlich, dass bei tatsächlichen Messungen kein vollständiger Diamagnetismus gemessen werden kann (d. h. 4πχ ＞ -1). Natürlich gibt es in Dias‘ Artikel keine Reduzierung. Die vertikale Achse in Abbildung a ist das magnetische Moment, nicht die magnetische Suszeptibilität.

Dias hat auch die spezifische Wärmekapazität gemessen und die Ergebnisse sind in der Abbildung oben dargestellt. Hier sind die Messergebnisse von 10, 10,5 und 20 kbar angegeben. Es ist ersichtlich, dass die drei spezifischen Wärmekurven alle den Übergang von Supraleitung in spezifische Wärme zeigen. Die Messergebnisse von Tc und Widerstand sind leicht unterschiedlich, aber völlig verständlich. Dieses Ergebnis ist vernünftig . Allerdings muss gesagt werden, dass die Änderung der spezifischen Wärmekapazität nicht offensichtlich ist, insbesondere bei der 10,5-kbar-Kurve ist der Peak nicht offensichtlich und die Änderung bei 10 kbar ist nicht so offensichtlich wie die bei 20 kbar. Auch die Übergänge dieser drei spezifischen Wärmekapazitäten sehen etwas unterschiedlich aus, insbesondere die Daten für 10 kbar und 10,5 kbar, die sich zwar nur um 0,5 kbar unterscheiden, die Bilder jedoch sehr unterschiedlich sind. Da die Messung jedoch unter hohem Druck stattfindet, kann es zu Schwierigkeiten kommen, die uns nicht bekannt sind.

Dias gibt auch die XRD -Ergebnisse (Röntgenbeugung) der Probe an und zeichnet ein Elementarzellenbild, was natürlich ebenfalls erforderlich ist.

Abbildung a ist das XRD-Ergebnis. Sie haben ein Mo-Ziel verwendet. Die rote Linie ist das Ergebnis der theoretischen Berechnung, der Kreis ist das Ergebnis der tatsächlichen Messung und die blaue Linie ist der Fehler zwischen den beiden. Es ist ersichtlich, dass der Unterschied zwischen den Mess- und Berechnungsergebnissen sehr gering ist. Man kann sagen, dass die Probe eine reine Phase ist. Das Dias-Team berechnete, dass die Probe 92,25 % ausmachte und die Verunreinigungen LuN1−δHε und Lu2O3 waren.

Abbildung b ist das von ihnen gezeichnete Elementarzellendiagramm. Die weißen Atome sind Wasserstoff, die grünen sind Lutetium und die rosafarbenen sind Stickstoffatome. Die chemische Formel der von ihnen abgegebenen Probe lautet LuH3−δNε. Die Raumgruppen bei 61 kbar sind Fm-3m und Immm, Dias glaubt jedoch, dass die supraleitende Phasenraumgruppe die erstere ist.

Abschließend ist hier das supraleitende Phasendiagramm der Probe (dies ist das erste Bild im Originaltext). Tc nimmt mit zunehmendem Druck ab, was alle Erwartungen übertrifft und in Zukunft im Fokus der Forschung stehen könnte. Abbildung b zeigt die Veränderung der Probenmorphologie mit dem Druck. Unter Normaldruck ist es blau, wird bei steigendem Druck allmählich rosa und schließlich rot. Die Farbe des Musters ist noch sehr festlich.

Aus Platzgründen werde ich Sie nicht durch die unterstützenden Materialien führen. Interessierte Studierende können die offizielle Website von Nature besuchen:

Nachweis von Supraleitung nahe Umgebungstemperatur in einem N-dotierten Lutetiumhydrid | Natur

Dem Artikel nach zu urteilen, handelt es sich bei dieser Arbeit zweifellos um eine bahnbrechende Arbeit, und die entsprechenden Belege sind ausreichend. Wenn es reproduziert werden kann, könnte es in Zukunft möglicherweise einen Nobelpreis gewinnen. Doch die Forschung in der Physik ist nicht nur die Meinung einer Partei. Jede wissenschaftliche Forschung sollte einer Überprüfung standhalten können , und diese hier bildet da keine Ausnahme. Diese Arbeit wird sicherlich von verschiedenen Forschungsgruppen in der Branche wiederholt. Wenn sich die Richtigkeit des Ergebnisses nach vielen Wiederholungen bestätigt, handelt es sich um eine bahnbrechende Arbeit. Wir sind nun zuversichtlich, dass wir unseren Vorhersagen für den diesjährigen Nobelpreis vertrauen können.

Bei dieser Arbeit handelt es sich angeblich um Supraleitung bei Raumtemperatur in einer Umgebung nahe der Raumtemperatur. Aus dem Obigen können Sie ersehen, dass der Druck am höchsten Punkt von Tc 1 GPa beträgt, was etwa 10.000 Atmosphären entspricht. Obwohl er immer noch sehr groß ist, ist er viel kleiner als die vorherigen 2,7 Millionen Atmosphären. Auch der Wiederholungsaufwand ist deutlich geringer . Ich glaube, dass viele Forschungsgruppen begonnen haben, das Experiment zu wiederholen.

Allerdings stehen viele diesem Ergebnis derzeit mit einer abwartenden Haltung gegenüber . Einerseits liegt es daran, dass die Ergebnisse der wiederholten Experimente noch nicht vorliegen, andererseits könnte es an Dias‘ Vorstrafenregister liegen.

Tatsächlich hatte Dias zuvor bereits zwei Durchbrüche erzielt. Einer davon ist metallischer Wasserstoff, der andere ist der bisherige Supraleiter bei Raumtemperatur.

Dias behauptete zunächst, er habe metallischen Wasserstoff unter hohem Druck synthetisiert und einen entsprechenden Artikel in Science veröffentlicht, doch andere Forschungsgruppen konnten dies nicht reproduzieren. Später behauptete er, dass aufgrund unsachgemäßer Lagerung der Druck aus dem Gerät, in dem der metallische Wasserstoff gespeichert war, entwichen sei und der metallische Wasserstoff schließlich aufgrund des unzureichenden Drucks verdampft und verschwunden sei. Später synthetisierte Dias keinen metallischen Wasserstoff mehr. Daher kann man sagen, dass metallischer Wasserstoff zu einem „ungelösten Fall“ geworden ist.

Der letzte Raumtemperatur-Supraleiter aus Hydrid wurde ebenfalls von Dias synthetisiert und der erreichte Druck betrug bis zu 270 GPa. Die entsprechenden Ergebnisse wurden in Nature veröffentlicht, doch nachfolgende Forschungsgruppen versuchten erfolglos, das Experiment zu wiederholen. Und weil Dias die Originaldaten nicht offenlegte, glaubten viele Leute, er habe bei der Verarbeitung der Daten zur magnetischen Suszeptibilität die falsche Methode verwendet und sei zu einem falschen Ergebnis gelangt. Daher wurde der Artikel unter einstimmigem Protest aller schließlich aus Nature zurückgezogen. Natürlich protestierten alle Mitglieder des Dias-Forschungsteams gegen den Rückzug, doch dieser war letztlich nicht mehr rückgängig zu machen.

Genau aufgrund dieser beiden Vorfälle trauen viele Wissenschaftler auf diesem Gebiet dem Dias-Forschungsteam nicht mehr. Schließlich sind ihre Datenergebnisse immer viel besser als die anderer. Doch dieses Mal lieferte Dias eine Menge Rohdaten, die man als umfassend und ergiebig bezeichnen kann. Darüber hinaus erfordern die Ergebnisse dieses Mal nur einen Druck von 1 GPa und sind relativ einfach zu wiederholen. Ich glaube, dass wir bald eine Schlussfolgerung zu diesem Ergebnis ziehen können. Warten wir es ab.

Autor: Mu Zi

Quelle: Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Referenz: Luo Huiqian, „Supraleitung „Kleine Ära“: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der Supraleitung“, Tsinghua University Press, 2022.