Supraleiter bei Raumtemperatur? Neue Entwicklungen
(science.org)- LK-99 erregte Aufmerksamkeit durch die Behauptung in einem Preprint, bei Raumtemperatur und Normaldruck Supraleitung zu zeigen, und könnte, falls sich das reproduzieren lässt, nahezu alle Bereiche beeinflussen, die Elektromagnetismus nutzen
- Das Syntheseverfahren ist vergleichsweise einfach, sodass viele Labore es schnell überprüfen können, doch die Originalprobe ist polykristallin und inhomogen, was Raum für schwankende Reproduktionsergebnisse lässt
- Das Magnetschwebe-Video der Huazhong University of Science and Technology in China hat das Interesse verstärkt, doch allein mit einem Video lässt sich eine Reproduktion von Raumtemperatur-Supraleitung durch den Meissner-Effekt nur schwer bestätigen
- Neue DFT-Berechnungen des Shenyang National Laboratory und von Lawrence Berkeley zeigen, dass die berichtete Struktur von LK-99 mit möglicher Supraleitung vereinbar sein könnte und dafür möglicherweise keine völlig neue Physik erforderlich ist
- Fragen zur Position der Kupfer-Substitution, zur Fragilität der elektronischen Struktur und zu möglicher kristallographischer Richtungsabhängigkeit bleiben offen, weshalb Validierungsdaten über saubere Bulk-Proben und Social-Media-Videos hinaus nötig sind
Behauptungen zu LK-99 und Schwierigkeiten der Reproduktion
- LK-99 tauchte mit der Behauptung in einem Preprint auf, bei Temperaturen weit über Raumtemperatur und unter Normaldruck Supraleitung zu zeigen
- Ein solches Material ist seit Langem ein Ziel der Materialwissenschaft und der Physik kondensierter Materie und galt bisher meist als Stoff für Science-Fiction
- Falls es real existiert, könnte es je nach erreichbarer Stromdichte elektromagnetisch basierte Anwendungen erheblich verbessern
- Außergewöhnliche Behauptungen erfordern außergewöhnliche Belege, und solche Fälle scheitern oft an Problemen der Reproduzierbarkeit
- Die vorliegende Synthese ist nicht besonders komplex und erfordert weder spezielle Materialien noch besondere Geräte, sodass viele Labore sofort mit Reproduktionsversuchen beginnen können
- Allerdings erklärten auch die Originalautoren, dass die Probe polykristallin und inhomogen sei, und es gibt keine Garantie, dass das berichtete Herstellungsverfahren bereits optimiert ist
- Zu den Reproduktionsvariablen gehören die Reinheit der Ausgangsstoffe, das Vorhandensein von Sauerstoff, die Partikelgröße, Heiz- und Kühlraten sowie Größe und Form des Gefäßes
Probleme mit den Preprint-Autoren und Status der Arbeiten
- Zugehörige Preprints erschienen nahezu gleichzeitig als Arbeit mit drei Autoren und als Arbeit mit sechs Autoren
- Der Preprint mit drei Autoren könnte zurückgezogen werden, weil ihn einer der Autoren ohne Rücksprache mit einigen anderen Beteiligten eingereicht haben soll
- Die Arbeit mit sechs Autoren wird für die Einreichung bei einem Peer-Review-Journal vorbereitet, und der Preprint selbst wurde bereits überarbeitet
- Wie die interne Lage tatsächlich aussieht, dürfte erst mit etwas mehr Zeit klarer werden
- Im Kontext einer möglichen Entdeckung eines Raumtemperatur-Supraleiters sind Erwartungen und Verwirrung zugleich stark gewachsen
Reproduktionsbehauptungen und Magnetschwebe-Video mit Stand 1. August
- Mit Stand vom Morgen des 1. August gibt es einen noch nicht verifizierten Bericht über eine Reproduktion an der Huazhong University of Science and Technology in China
- Das veröffentlichte Video zeigt ein Objekt, das eine LK-99-Probe sein könnte, schwebend über einem Magneten und in unterschiedlichen Ausrichtungen relativ zum Magneten
- Diese Änderung der Ausrichtung ist ein wichtiger Hinweis
- Selbst einfache paramagnetische Materialien können in einem hinreichend starken Magnetfeld schweben
- Auch diamagnetische Materialien wie Wassertropfen oder Frösche können schweben
- In solchen Fällen können sie wie eine Kompassnadel in eine bestimmte Richtung zurückdrehen
- Supraleiter unterscheiden sich dadurch, dass sie perfekte Diamagneten sind und Magnetfelder ausschließen
- Der Meissner-Effekt ist das Phänomen, bei dem ein Material beim Übergang in den supraleitenden Zustand bei geeigneter Temperatur ein zuvor das Innere durchdringendes Magnetfeld hinausdrängt
- Bei dem betreffenden Video ist man auf die Erklärung der Ersteller und Veröffentlichenden angewiesen, und es bleiben andere Deutungen möglich, die keine Raumtemperatur-Supraleitung voraussetzen
- Allein aufgrund eines einzelnen Videos ist es noch zu früh, von einer echten Reproduktion zu sprechen
Welche Möglichkeiten die DFT-Berechnungen zeigen
- Zwei neue Preprints nehmen die berichteten Röntgenstrukturdaten von LK-99 als Ausgangspunkt und sagen das Verhalten mit Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen voraus
- Beide Berechnungen kommen zu sehr ähnlichen Schlussfolgerungen und deuten darauf hin, dass ein Material wie LK-99 funktionieren könnte
- Das ist eine wichtige Entwicklung, weil zur Erklärung von LK-99 möglicherweise keine völlig neue Physik angenommen werden muss
- Griffins Berechnung fand eine isolierte Gruppe von flat bands, die das Fermi-Niveau kreuzen, mit einer maximalen Bandbreite von etwa 130 meV und einer Trennung von 160 meV zu den übrigen Valenzbändern
- Die schmale Bandbreite weist auf stark korrelierte Bänder hin, wobei die Cu-d-Bänder besonders flach sind und die Bandaufweitung durch benachbarte Sauerstoffionen gering ist
- Falls die bisherige Annahme stimmt, dass band flatness Supraleitung begünstigt, deutet dieses Ergebnis auf eine robustere und höher temperierte supraleitende Phase hin als bei bekannten Hochtemperatur-Supraleitersystemen
Elektronische Struktur, Substitutionsposition und kristallographische Richtungsabhängigkeit
- In Festkörpern ist das Fermi-Niveau die theoretische Energie, bei der die Wahrscheinlichkeit 50 % beträgt, dass Elektronen ein bestimmtes Energieniveau besetzen; es liegt nahe an der natürlichen Lage beweglicher Leitungselektronen
- Elektronen in Festkörpern werden als Besetzer mehrerer Energie-Bänder modelliert, zwischen denen eine band gap liegt
- Bei Isolatoren liegt das Fermi-Niveau in einer breiten band gap, weshalb sich nur schwer Strom erzeugen lässt, während bei Metallen mindestens ein Band das Fermi-Niveau schneidet
- Die Arbeit von Griffin geht wie der ursprüngliche Preprint davon aus, dass die Berechnung gilt, wenn Kupfer die Pb(1)-Position in der Blei-Apatit-Struktur substituiert
- Allerdings scheint es energetisch günstiger zu sein, wenn Kupfer die Pb(2)-Position einnimmt, was eine stabile Kupfer-Substitution an Pb(1) erschweren könnte
- Dieses Problem der Substitutionsposition könnte zu Schwankungen bei der Reproduktion von LK-99 oder zu Schwierigkeiten bei der Gewinnung sauberer Bulk-Proben führen
- Auch das Shenyang-Team sieht den ursprünglichen Blei-Apatit als sehr guten Isolator, meint aber, dass die durch Einbringen von Kupferatomen verursachte Strukturänderung mit den experimentellen Daten des koreanischen Preprints übereinstimmt und einen großen Übergang in einen metallischen Zustand bewirkt
- Die Berechnung aus Shenyang fand in der Nähe des Fermi-Niveaus ein halb gefülltes flat band und ein vollständig gefülltes flat band und hält diese für wichtig bei der Untersuchung der berichteten Supraleitung
- Das Team sagt voraus, dass eine Substitution von Goldatomen an der Pb(1)-Position ein Material mit ähnlichen Eigenschaften liefern könnte
- Der Shenyang-Preprint geht davon aus, dass die PO4-Einheiten um die zylinderförmigen Säulen der Pb2-Atome isolierende Eigenschaften zeigen und über die zu einem Viertel besetzten O2-Atome entlang der c-Achse ein beinahe eindimensionaler Leitungskanal entsteht
- In den beiden flat bands wurden vier VHS beobachtet, was darauf hindeutet, dass die elektronischen Eigenschaften gegenüber strukturellen Verzerrungen bei niedriger Temperatur fragil sein könnten
- Falls sich einkristallines LK-99 herstellen lässt, könnte die Supraleitung nur entlang einer Kristallachse auftreten
- Schließt man Drähte an zwei bestimmte einander gegenüberliegende Flächen an, könnte sich Supraleitung zeigen, an anderen Flächen jedoch nicht
- Auch bei bestehenden supraleitenden Materialien beeinflussen Korngrenzen die Effizienz stark, und die polykristallinen Proben von LK-99 könnten für starke Effekte ungünstig sein
Aktuelle Einschätzung
- Die Berechnungen aus Shenyang und Lawrence Berkeley sind eine positive Entwicklung und helfen dabei, LK-99 zumindest teilweise aus dem Bereich des „nicht erklärbar“ herauszuführen
- Wenn neue Physik nötig wäre, läge die Hürde für einen Nachweis deutlich höher, doch diese Berechnungen zeigen Möglichkeiten auch innerhalb bestehender theoretischer Rahmen
- Es werden mehr Reproduktionsdaten benötigt, und es muss Belege geben, die über Social-Media-Videos hinausgehen
- Bislang ist dies der glaubwürdigste Kandidat für Supraleitung bei Raumtemperatur und Normaldruck, den die Welt gesehen hat, und die kommenden Tage und Wochen sind sehr wichtig
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Die Auswirkungen des Wendepunkts, an dem wir uns gerade befinden, sind kaum vorstellbar. Schon gestern Abend war das schwer zu erklären, aber vielleicht erleben wir den Beginn einer Ära des technologischen Umbruchs, vergleichbar mit der Erfindung des p-n-Übergangs.
Aus der Perspektive der 1940er-Jahre wäre die heutige Technologie wohl kaum vorstellbar gewesen. Verlustfreie Energieübertragung, Batterien ohne Ladezeit, deutlich schnellere CPUs, die einem nicht die Knie verbrennen – all das könnte möglich werden. Bekommen wir jetzt fliegende Autos?
Metalle, insbesondere Kupfer, sind bereits unglaublich gute Leiter.
Inzwischen bin ich fast 50, und wenn ich darauf stiege, würde ich vermutlich abstürzen und sterben, aber ich würde es wohl trotzdem einmal versuchen.
Als ich die Vorhersage las, dass „durch Ersetzen eines Goldatoms an der Pb(1)-Position ein Material mit sehr ähnlichen Eigenschaften entstehen kann“, kam mir wegen des Grundmaterials Bleiapatit ein abwegiger Gedanke.
Die mittelalterlichen Alchemisten wollten Blei in Gold verwandeln, aber vielleicht war es genau die falsche Richtung, und der Durchbruch besteht vielmehr darin, Blei mit Gold zu dotieren :-)
Es gibt ein neues Reproduktionsvideo aus China.
https://twitter.com/lereguy/status/1686363900651151360
Interessant, aber ich versuche, ruhig zu bleiben. Viel Glück allen Beteiligten.
Ich wusste nicht, dass Wissenschaft ein so aufregender Zuschauersport sein kann.
Tödlicher Wettbewerb, publikumswirksame Demonstrationen, und bei jeder neuen Entwicklung steht der Stolz von Personen, Institutionen und Nationen auf dem Spiel.
Deshalb sehe ich auch MRI, Kernfusion und vermutlich elektrische Maschinen wie Generatoren oder Motoren als schwierig an.
Die DFT-Ergebnisse sind auf jeden Fall interessant, aber unter der Einschränkung: Mein Hintergrund ist die experimentelle Physik der kondensierten Materie bei solchen Materialien, nicht die Theorie. Nach meinem Verständnis sind die flachen Bänder, die im Zentrum der Schlussfolgerung stehen, zwar möglicherweise eine notwendige Bedingung für Supraleitung auf die von den Autoren beschriebene Weise, aber keine hinreichende.
In der experimentellen Physik der kondensierten Materie ist es bisweilen akzeptiert, nach einem guten Experiment eine halb ausgegorene „theoretische Begründung“ anzuhängen, um die Gutachter zu besänftigen. Daher wäre ich nicht überrascht, wenn sich die tatsächliche Supraleitung als völlig unabhängig von dem im Paper vorgeschlagenen Mechanismus herausstellt. Ich würde gern eine solidere Charakterisierung sehen, und hoffe, dass Labore, die Reproduktionsstudien durchführen, sich die entscheidenden Punkte ansehen.
Allerdings ist dieses Wissen etwa 20 Jahre alt, und auch wenn es eine PRB-Arbeit der Erstautorin gibt, sollte man mir nicht mehr vertrauen als aktiven Forschenden. Ganz ahnungslos bin ich aber auch nicht.
Das könnte erklären, warum die Synthese so schwierig ist. Solche Simulationen sind nicht perfekt, aber wenn Experimente die Richtung vorgeben und eine starke Korrelation besteht, kann das ein gutes Zeichen dafür sein, dass man eine mechanistische Erklärung des Phänomens gefunden hat.
Ich freue mich, dass ich nicht der Einzige bin, der den DFT-Preprint für ziemlich vielversprechend hielt.
Allerdings zeigt er auch, dass es sehr schwierig ist, die gewünschte Substitution zu erreichen. Insbesondere die von einigen vorgeschlagene Methode, „den Verbund aufzubrechen und zu trennen“, dürfte mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht funktionieren. Denn die Heterogenität existiert innerhalb desselben Kristalls, und ob Cu auf die Pb-{1}-Position gelangt, ist gut, während es schlecht ist, wenn es auf die Pb-{2}-Position gelangt.
Daher könnte die von den Autoren bevorzugte, sehr indirekte Synthesemethode – Kupferphosphid mit Lanarkit reagieren zu lassen und dabei viel Kupfersulfid als Nebenprodukt zu erzeugen – nötig gewesen sein, um die interessanten Eigenschaften hervorzubringen. Da wir nun eine Vorstellung davon haben, wonach zu suchen ist, lassen sich vielleicht auch andere Synthesewege ableiten, mit Blick darauf, welche Art von Kupfersubstitution erreicht werden muss und wie man feststellen kann, ob sie erreicht wurde.
Natürlich bleibt die Möglichkeit, dass all dies ein großer Irrtum ist, aber inzwischen müssten mehrere ineinandergreifende Fehler gleichzeitig vorliegen. Wenn diese Hypothese stimmt, könnte es lange dauern, bis die erforderliche selektive Substitution in hochwertigen Bulk-Proben erreicht ist; ich erwarte daher nicht, dass kurzfristig neue Technologien in Massen auftauchen.
Flache Bänder können vieles bedeuten, und die von Griffin angenommene Kristallstruktur könnte auch deshalb gewählt worden sein, weil sie plausibel wirkte. Auch das CMTC sieht in Griffins Paper keinen großen Gamechanger und hält die Reproduzierbarkeit weiterhin für gering: https://twitter.com/condensed_the/status/1686373904044949504...
Ich bin nicht extrem überzeugt, aber es ist definitiv nicht nichts.
Ist das einfach Unsinn? https://twitter.com/iris_IGB/status/1685322871306928128
Ich würde gern sehen, wie die täglichen Bestellmengen für Blei(II)-oxid und Kupferphosphid-Pulver auf der Lieferketten-Website von Sigma Aldrich in der vergangenen Woche aussahen.
Ich bin überrascht, dass die Mainstream-Medien das im Moment offenbar ignorieren. Ich habe in Google News nach LK-99 gesucht und keine Artikel großer Medien gefunden; das NYTimes-Suchergebnis war ein Artikel aus dem Jahr 1974.
Gerade wegen des letzten Punkts finde ich es gut, dass sie abgewartet haben. Es war nicht einmal klar, ob daraus mehr wird als „einige Wissenschaftler könnten einen großen Fehler gemacht haben, oder auch nicht“. Jetzt, da mehrere Teams sagen, es sei möglich oder bereits passiert, dürften auch Artikel in Mainstream-Medien erscheinen. Sie ignorieren es nicht, sie sind vorsichtig, und Wissenschaftsjournalisten werden das wie Falken beobachten.
Seriöse Medien sind als vertrauenswürdiger Filter für das Rauschen des Internets wertvoll. Frühe Gerüchte sehe ich auf solchen Seiten; gefilterte, aufbereitete und fokussierte Inhalte dann dort.
Die ursprünglichen Arbeiten sind zwei Papers auf arXiv, wobei mir nicht klar ist, ob arXiv-Veröffentlichungen in diesem Feld allgemein üblich sind; Wissenschaftsjournalismus wartet normalerweise auf peer-reviewte Arbeiten in renommierten Fachzeitschriften. Einige Fachmedien haben es bereits aufgegriffen, und Derek Lowes In The Pipeline kann man auch in diese Kategorie einordnen.
[1] Z. B.: https://nitter.net/i/status/1686373516286005248 — erklärt, warum selbst die jüngsten theoretischen Bestätigungsarbeiten wenig überzeugend sind.
Unabhängig davon, ob es funktioniert oder nicht, hat es Nachrichtenwert. Allein das Rätsel, der menschliche Hintergrund und die Replikationsversuche von Argonne, China und unabhängigen Wissenschaftlern liefern reichlich sofort berichtenswerte, interessante Themen.
Noch seltsamer ist, dass die NYT über die Rücknahme des Dias-Supraleiter-Papers berichtet hat. Dieses Paper war nicht einmal auf meinem Radar, weil mich ein Supraleiter, der keinen großen Sprung für praktische Anwendungen bedeuten würde, nicht interessiert hat.
Was machen die eigentlich?
Es ist nicht fair zu sagen, die Mainstream-Medien würden es ignorieren. Die mögliche Entdeckung ist buchstäblich gerade erst passiert, und wegen der Kombination aus geringer Bekanntheit und Vorsicht gegenüber der Evidenz wurde sie bislang noch nicht aufgegriffen.
Fehlgeschlagener Reproduktionsversuch: halbleitender Transport in Pb10-xCux(PO4)6O, gesintert aus Pb2SO5 und Cu3P
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2307/2307.16802.pdf
Menschen nutzen diese Tatsache, um Bereiche wie die Krebsforschung anzugreifen, aber leider ist das ein grundlegendes Problem der Wissenschaft. Wissenschaftliche Paper sind nicht die destillierte Kristallform der Wahrheit, sondern eher Commits von laufender Arbeit. Wenn man mit der Veröffentlichung wartet, bis man jedes Detail kennt, verlangsamen sich wissenschaftliche Entdeckungen auf Schneckentempo, und unzählige Entdeckungen werden verpasst.
Sie haben ein anderes Material getestet.
Oh, die Zitationskaskade passiert tatsächlich.