- Mehrere Forschungsteams, darunter das Argonne National Laboratory, haben mit Reproduktionsversuchen zu der Behauptung des koreanischen Quantum Energy Research Centre begonnen, es handle sich um einen Supraleiter bei Raumtemperatur und Normaldruck. Physiker reagieren jedoch wegen der Details der Arbeiten und der Qualität der Daten vorsichtig.
- Zwei nicht begutachtete Preprints, die am 22. Juli auf arXiv erschienen, behaupten, ein mit Kupfer dotiertes Material auf Basis von Blei, Sauerstoff und Phosphor leite bei Normaldruck bis mindestens 400 K Strom ohne Widerstand.
- Als Belege dienen Daten, die auf Nullwiderstand und die Verdrängung von Magnetfeldern als Anzeichen für Supraleitung hindeuten. Einige Fachleute halten die Art der Datendarstellung jedoch für unausgereift und die physikalische Erklärung für unzureichend.
- Die Skepsis richtet sich darauf, dass das Ausgangsmaterial Blei-Apatit ein nichtleitendes Mineral ist, dass Kupfersubstitution die elektrischen Eigenschaften kaum stark verändern dürfte und dass schwere Bleiatome die Bildung von Elektronenpaaren behindern könnten.
- Ob sich die Ergebnisse reproduzieren lassen, ist das entscheidende Kriterium. Blei-Apatit selbst ist zwar ein gut bekanntes Material, doch eine viertägige mehrstufige Festkörpersynthese in kleinen Mengen ist nicht so simpel, wie manche Reaktionen in sozialen Medien vermuten lassen.
Behauptung eines Supraleiters bei Raumtemperatur und Normaldruck und das Rennen um die Reproduktion
- Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim und Kollegen vom koreanischen Quantum Energy Research Centre stellten am 22. Juli zwei zugehörige Preprints auf arXiv ein.
- Die zentrale Behauptung lautet, dass ein mit Kupfer dotiertes Material auf Basis von Blei, Sauerstoff und Phosphor bei Normaldruck bis zu mindestens 400 K, also über dem Siedepunkt von Wasser, supraleitend ist.
- Falls das stimmt, wäre es eine große Entdeckung in der Physik der kondensierten Materie und wäre auch mit technologischen Möglichkeiten wie schwebenden Fahrzeugen oder sehr effizienten Stromnetzen verbunden.
- Allerdings fehlen den Arbeiten viele Details, weshalb mehrere Physiker den Daten und ihrer Darstellung skeptisch gegenüberstehen.
- Mehrere Forschungsteams, darunter das Argonne National Laboratory, stellen das Material bereits her und versuchen Reproduktionsversuche.
Warum Supraleiter wichtig sind
- Supraleiter sind Materialien, die elektrischen Strom ohne Widerstand leiten können.
- Die großen Elektromagnete in MRT-Geräten bestehen aus supraleitenden Drähten. Durch den widerstandslosen Stromfluss können starke Magnetfelder ohne Erwärmung oder enormen Energieverbrauch erzeugt werden.
- Supraleiter werden in vielen Bereichen eingesetzt, von Frequenzfiltern für drahtlose Kommunikation bis hin zu Teilchenbeschleunigern.
- In gewöhnlichen kristallinen Festkörpern können sich Elektronen nicht frei bewegen, weil sie mit den schwingenden Atomen des Gitters zusammenstoßen.
- Manche Materialien bilden bei ausreichend niedrigen Temperaturen lose gebundene Elektronenpaare, und die Gitterschwingungen bei niedrigen Temperaturen sind nicht stark genug, um diese Paare aufzubrechen, sodass sich Elektronen ungehindert bewegen.
Kontext zu bisherigen und Hochtemperatur-Supraleitern
- Viele elementare Metalle und Legierungen wie Blei, Quecksilber, Niob und Zinn werden supraleitend, wenn sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden.
- In den 1950er Jahren erklärten Physiker, dass Gitterschwingungen in herkömmlichen Supraleitern als Klebstoff wirken, der Elektronenpaare bildet.
- In den 1980er Jahren wurde bestätigt, dass komplexe Verbindungen mit Kupfer- und Sauerstoffschichten bei bis zu 133 K supraleitend sind.
- Später wurde entdeckt, dass auch Verbindungen mit Eisen- und Arsenschichten bei nahezu ähnlichen Temperaturen Supraleitung zeigen können.
- In jüngerer Zeit gab es auch umstrittene Behauptungen, dass Verbindungen mit Wasserstoff, Schwefel und Kohlenstoff unter hohem Druck bei Raumtemperatur supraleitend seien.
Die von den koreanischen Forschern vorgelegten Belege
- Die Preprints behaupten, dass ein Material aus den häufigen Elementen Blei, Sauerstoff und Phosphor durch „seasoned“ oder dotiert mit Kupfer zum ultimativen Supraleiter werde.
- Wenn die Behauptung stimmt, könnte die gebrannte Probe selbst bei Raumtemperatur und Normaldruck auf dem Labortisch Strom ohne Widerstand leiten.
- Die Forscher präsentierten Daten, in denen der Widerstand auf 0 fällt, sowie Daten, in denen das Material offenbar Magnetfelder verdrängt.
- Die Verdrängung von Magnetfeldern gilt als wichtiges Anzeichen für Supraleitung.
- Die betreffenden Preprints wurden nicht begutachtet, und auf eine Bitte von Science um Stellungnahme reagierten die Forscher nicht.
Warum Physiker zweifeln
- Michael Norman meint, die Autoren wirkten, als wüssten sie nicht besonders viel über Supraleitung, und auch die Art, wie einige Daten präsentiert werden, erscheine verdächtig.
- Das erste Problem ist, dass das undotierte Ausgangsmaterial Blei-Apatit kein Metall, sondern ein nichtleitendes Mineral ist.
- Als Ausgangspunkt für einen Supraleiter erscheint es daher wenig vielversprechend.
- Das zweite Problem ist, dass die elektronische Struktur von Blei- und Kupferatomen ähnlich ist, sodass der Austausch eines Teils des Bleis durch Kupfer die elektrischen Eigenschaften kaum stark verändern dürfte.
- Norman formuliert es sinngemäß so: „Wenn man mit einem Stein anfängt, sollte am Ende immer noch ein Stein herauskommen.“
- Das dritte Problem ist, dass Bleiatome sehr schwer sind, Gitterschwingungen unterdrücken und die Bildung von Elektronenpaaren erschweren könnten.
- Nadya Mason bewertet positiv, dass die Forscher passende Daten erhoben und die Herstellungstechnik relativ klar beschrieben haben, hält die Daten selbst aber für etwas grob.
Der vorgeschlagene Mechanismus und offene Fragen
- Die Arbeiten liefern keine stichhaltige Erklärung dafür, welche Physik im Material wirkt.
- Die Forscher vermuten, dass die Dotierung natürlich vorkommende lange Ketten aus Bleiatomen leicht verzerrt und dass die Supraleitung entlang dieser eindimensionalen Kanäle entstehen könnte.
- Norman hält diese Behauptung für überraschend, weil eindimensionale Systeme normalerweise keine Supraleitung erzeugen.
- Eine weitere offene Frage ist, dass die durch die Dotierung eingebrachte Unordnung die Supraleitung eher zusätzlich unterdrücken sollte.
- Mason sagt, Lee und Kim hätten vorgeschlagen, dass es in den Ketten wellenartige Ladungsmuster geben könnte, und ähnliche Ladungsmuster seien auch in Hochtemperatur-Supraleitern beobachtet worden.
Reproduktionsversuche sind der Maßstab
- Die entscheidende Frage ist, ob andere Forschungsteams dieselben Beobachtungen reproduzieren können.
- Norman geht davon aus, dass andere Teams Blei-Apatit synthetisieren können, weil es sich um ein gut bekanntes Material handelt.
- Allerdings ist der Syntheseprozess nicht so einfach, wie manche Reaktionen in sozialen Medien vermuten lassen.
- Jennifer Fowlie weist darauf hin, dass eine „viertägige mehrstufige Festkörpersynthese in kleinen Mengen“ seltsam leichtfertig als einfache Sache angesehen werde.
- Physiker werden diese Behauptung sehr schnell überprüfen.
- Norman sagt: „Wenn das echt ist, werden wir es innerhalb einer Woche wissen.“
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Wirklich großartig ist, dass in diesem gesamten Prozess Wissenschaftsverlage überhaupt keine Rolle gespielt haben. Das Paper wurde auf arXiv hochgeladen, es entstand eine Kontroverse, und nun prüft ein nationales Forschungslabor die Sache – alles ohne Einreichung bei einer Fachzeitschrift.
Fachzeitschriften entstanden ursprünglich, um Forschung besser zu verbreiten, als wenn Forschende sie einander per Post zuschickten. arXiv ist gut für Peer Review, und die Forschung ist tatsächlich öffentlich zugänglich, sodass Kolleginnen und Kollegen sie prüfen können, statt sie hinter einer Paywall zu verstecken.
Noch besser wäre OpenReview, weil sich Diskussionen dort nachverfolgen lassen; wer aber schon einmal Forschung als Open Source veröffentlicht hat, weiß auch, dass es schnell unübersichtlich werden kann, wenn Fragen wie „Das Modell ist trainiert, aber wie teste ich es?“ oder „Wie behebe ich einen CUDA-Out-of-Memory-Fehler?“ hereinprasseln. Auch arXiv und Preprints sind ein Ort für Peer Review.
Experimente und Prozesse sind schwierig und extrem heikel. Man erwartet gewissermaßen, mit einem makroskopischen Prozess ein Material im Nanomaßstab herzustellen, und Chemie fühlt sich manchmal an, als würde man mit einem Kugelhammer einen Mikrochip bauen. Nach dem Motto: „Wenn man 70-mal 30 Sekunden lang in 3,8 ml Aceton schlägt, entsteht eine Einkristallstruktur. Nicht 71-mal und nicht 69-mal.“
Chemiker sind Experten darin, Verfahren klar zu beschreiben und dabei scheinbar bedeutungslose, aber entscheidende Details wegzulassen, für deren Entdeckung ein erfahrener Experimentator ein bis zwei Jahre brauchen kann. Außerdem ist dieses Verfahren ohnehin nicht sauber ausgearbeitet.
Im besten Fall versuchen motivierte Amateure, das Material zu synthetisieren, und man sieht, dass es weniger perfekt funktioniert als beabsichtigt. Danach kann man darauf setzen, dass sie über 5, 10 oder 150 Wochen hinweg dieselbe Arbeit wiederholen, mit der nötigen Geduld und Gründlichkeit, um herauszufinden, ob das Problem an der Natur oder an der Technik liegt.
Ich will nicht sagen, dass es diesmal derselbe Fehlschlag ist, aber vor 34 Jahren lief es nicht über arXiv, sondern über Pressekonferenzen und die Verbreitung von Entwürfen.
Ich bin sehr skeptisch, aber bei Phänomenen, die wie Zufälle wirken, ist die Überprüfung der ursprünglichen Behauptung wichtiger als die Reproduktion selbst.
Man sollte Geräte und Personal unabhängiger Labore vor Ort schicken oder Materialproben an unabhängige Labore senden, damit sie diese prüfen. Wenn das Wunder real ist, müssten Materialanalysen wie Röntgenspektroskopie und -beugung sowie diverse Tests möglich sein.
Vielleicht hat auch eine bestimmte, durch Nachlässigkeit entstandene Verunreinigung zufällig alle Bedingungen erfüllt und das Ganze wie einen Supraleiter aussehen lassen; in so einem Fall könnten andere es nicht leicht reproduzieren.
Jekylls unwillentliche Verwandlungen wurden immer häufiger, und um sie rückgängig zu machen, brauchte er immer mehr Serum; schließlich ging ihm das Salz für das Serum aus, und die mit neuen Vorräten hergestellte Charge funktionierte nicht. Jekyll vermutete, dass im ursprünglichen Material wohl eine Verunreinigung enthalten war, die die Wirkung verursachte.
https://en.wikipedia.org/wiki/Jekyl_and_Hyde#Plot
Viele scheinen das Herstellen für ziemlich einfach zu halten, aber wenn man eine Probe hat, kann man jedenfalls prüfen, ob sie die behaupteten Eigenschaften besitzt, und analysieren, woraus sie besteht.
Allerdings weiß ich nicht vollständig, was in einem Festkörperphysik-Labor tatsächlich möglich ist; mit dem passenden Labor und der passenden Ausrüstung wirkt die Herstellung dieses Materials aber nicht furchtbar schwierig. Hoffentlich erfahren wir bald, welche der beiden Möglichkeiten zutrifft.
Wenn es ihnen beim zweiten Mal nicht gelingt, ist die Sache erledigt. Alles noch einmal durchzuführen kostet viel Zeit und Geld, aber es sieht so aus, als wäre die ganze Welt bereit, die nötigen Ressourcen bereitzustellen.
Der einzige relevante Teil des Artikels ist die Passage, dass „Forschende bei Argonne und anderswo bereits versuchen, das Experiment zu reproduzieren, und die Leute dort es ernst nehmen und versuchen, dieses Material zu züchten“.
Der eingereichte Titel ist ein stark redigierter Titel und bedeutet keineswegs, dass es bei Argonne eine organisierte Anstrengung gibt.
Wenn überhaupt, ist „sie nehmen es ernst“ die stärkere Formulierung; der eingereichte Titel ist eher etwas weniger reißerisch.
Der Titel greift den zentralen Teil des Artikels auf, und das ist auf HN üblich. Der Untertitel enthält nur das, was man schon weiß: „Es gibt viel Skepsis.“ Zumindest für einige, mich eingeschlossen, war neu, dass seriöse US-Regierungslabore daran arbeiten, und genau das ist der Nachrichtenwert.
Normans Einwand, dass Bleiatome zu schwer seien, scheint nicht gut zu den Zusammensetzungen anderer bekannter Supraleiter zu passen. Soweit ich weiß, ist der am häufigsten verwendete Kuprat-Supraleiter BSCCO, und er wurde auch in der weltweit ersten supraleitenden Stromleitung eingesetzt.
https://en.wikipedia.org/wiki/Holbrook_Superconductor_Projec...
Auch die Behauptung, dass „Blei- und Kupferatome eine ähnliche Elektronenstruktur haben, daher sollte das Ersetzen eines Teils der Bleiatome durch Kupferatome die elektrischen Eigenschaften nicht wesentlich beeinflussen“, ist seltsam. Das behauptete Blei(II)-Ion hat eine gerade Zahl von Elektronen, Kupfer(II) dagegen eine ungerade. Wenn Kupfer(I) vorhanden wäre, wäre sogar die Ladung selbst anders. Für etwas, das von einem Physiker kommt, ist das eine sehr verwirrende Logik.
Auch die Stelle, dass „undotierter Bleiphosphat-Apatit kein Metall, sondern ein nichtleitendes Mineral“ sei, passt nicht dazu, dass Kuprate und eisenbasierte Supraleiter ebenfalls keine Metalle sind. Manche sind unter Normalbedingungen sogar Mott-Isolatoren.
Es gibt Gründe, LK-99 skeptisch zu sehen, aber diese Logik gehört nicht dazu.
Bei anderen Wissenschaftlern scheint sich die Einschätzung abzuzeichnen, dass LK-99 kein Supraleiter ist, sondern lediglich ein starker Diamagnet.
Aus Sicht eines Nicht-Physikers frage ich mich, ob das an sich schon nützlich wäre. Wenn man Wikipedia überfliegt, scheint es nicht sehr viele stark diamagnetische Materialien zu geben; wenn es sich also um die Entdeckung eines neuen Materials handelt, könnte das doch eine große Entdeckung sein, auch wenn sie nicht gleich die Welt erschüttert.
Es könnte Diamagnetismus ohne nutzbare Supraleitung im großen Maßstab zeigen, und darüber hinaus könnte sich ein Weg eröffnen, das Material so zu verändern, dass die supraleitenden Bereiche größer werden. Das ist natürlich reine Spekulation; wahrscheinlicher ist, dass es „einfach“ Diamagnetismus wie bei anderen Materialien ist, also eine Struktur, in der alle Elektronen der Teilchen, aus denen die Probe besteht, gepaart sind.
Es gibt Kritik an der ursprünglichen Studie, aber es sieht so aus, als hätten sie die Unterlagen ziemlich gewissenhaft veröffentlicht, um die Reproduktion zu erleichtern.
Nadya Mason, Festkörperphysikerin an der University of Illinois Urbana-Champaign, bewertete positiv, dass die Autoren angemessene Daten vorgelegt und die Herstellungsmethode klar beschrieben haben, warnte aber zugleich, dass die Daten etwas grob wirken.
Ich habe einen ziemlich umfassenden Thread zur aktuellen Lage geschrieben. Er ist etwas lang und schwer zusammenzufassen, aber hier ist er:
https://twitter.com/sanxiyn/status/1685094029116297216
Die verlinkten Widerlegungen der Papers, insbesondere die F-Bewertung durch das CMTC, sind vernichtend. Einer der Beteiligten, Professor Kim von William & Mary, ist tatsächlich ein ordentlicher Wissenschaftler und spielte eine sehr kleine Rolle, aber es wirkt zunehmend wie ein Ergebnis, das von ein paar Sonderlingen des „Q-Centre“ vorgelegt wurde.
Der Großteil der Arbeit wurde erledigt, bevor Kim beteiligt war, und sein Name steht nur auf einem der drei bislang veröffentlichten Papers. Er ist in der ganzen Sache der einzige Ansatzpunkt für Legitimität, aber ein sehr dünner. Die übrigen fünf wirken einfach seltsam.
Das Video, das EEVblog zu dieser Sache veröffentlicht hat, ist ziemlich witzig. Falls ihr es nicht gesehen habt, hier ist es: https://www.youtube.com/watch?v=QHPFphlzwdQ
Wenn man sich diese Demo ansieht, wirkt sie wirklich wie eine dämliche Art, ein Wundermaterial zu präsentieren, und sie schafft kein Vertrauen.
Ich verstehe nicht, warum man nicht einfach darum bittet, eine Supraleiterprobe zu analysieren, die angeblich wie behauptet hergestellt wurde. Alle reden nur davon, die Herstellung nach Rezept zu reproduzieren, aber liegt der Beweis nicht im fertigen Material?
Für mich ist der Kern, dass es in diesem Feld in den letzten 20 Jahren genug Fortschritt gegeben hat, dass Behauptungen über Supraleitung hinreichend nahe an Raumtemperatur heute nicht mehr sofort abgetan werden.
Wenn ich alt und weißhaarig bin, bewegt sich vielleicht alles per Magnetschwebetechnik.