- In LK99, das durch Berichte über mögliche Supraleitung bei Raumtemperatur und Normaldruck große Aufmerksamkeit erlangte, wurde in Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen ein korreliertes isoliertes flaches Band am Fermi-Niveau identifiziert.
- Dieses flache Band entsteht durch die Kopplung von Strukturverzerrungen durch Cu-Ionen mit der chiralen Ladungsdichtewelle des isolierten 6s²-Elektronenpaars von Pb(2); die Niederenergiephysik lässt sich zu großen Teilen mit einem minimalen 2-Band-Modell beschreiben.
- Wenn Cu einen Pb(1)-Platz einnimmt, verkleinern sich die Gitterkonstanten a und c jeweils von 9.875 Å auf 9.738 Å bzw. von 7.386 Å auf 7.307 Å, und die Umgebung des Cu bildet eine verzerrte Jahn-Teller-trigonale-prismatische Koordination.
- Die berechnete maximale Breite des isolierten Cu-d-Bands beträgt etwa 130 meV und ist von den übrigen Valenzbändern um 160 meV getrennt; wenn Cu jedoch einen Pb(2)-Platz einnimmt, erscheint kein korreliertes d-Band am Fermi-Niveau.
- Da der Pb(2)-Platz rechnerisch um 1.08 eV stabiler ist als der Pb(1)-Platz, bleibt die synthetische Stabilisierung der für supraleitende Bulk-Proben erforderlichen Cu-Substitution auf dem Pb(1)-Platz die entscheidende Einschränkung.
Berechnungsgegenstand und Methode
- Das untersuchte Material ist das Cu-substituierte Bleiphosphat-Apatit CuPb9(PO4)6(OH)2; die Berechnungen wurden durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Struktur und Eigenschaften von LK99 zu verstehen.
- Die Elektronstrukturberechnungen wurden mit Dichtefunktionaltheorie auf Basis von VASP durchgeführt; zur Korrektur der zu geringen Lokalisierung der Cu-d-Zustände wurde Hubbard-U verwendet.
- Der U-Wert wurde von 2 eV bis 6 eV getestet, und die Hauptergebnisse sind für alle Werte qualitativ ähnlich.
- Die im Text gezeigten Ergebnisse basieren auf Berechnungen mit U = 4 eV, die mit den experimentellen Gitterkonstanten auf innerhalb von 1 % übereinstimmen.
- Die allgemeine Formel von Apatiten lautet A10(TO4)6X2±x; hier wurde die Struktur von Pb10(PO4)6(OH)2 als Ausgangspunkt verwendet.
Das isolierte Elektronenpaar von Pb und die Apatit-Struktur
- Bleiphosphat-Apatit bildet ein Gerüst aus PbO6-Prismen und PO4-Tetraedern mit gemeinsamer Kante, dessen Inneres von Pb6(OH)2 ausgefüllt wird.
- In der Struktur gibt es zwei Arten von Pb-Plätzen.
- Pb(1): bildet zusammen mit den PO4-Tetraedern das gesamte Gerüst.
- Pb(2): spielt eine wichtige Rolle für die Pb-O-Konnektivität und die Neigung der Polyeder um die zentrale hexagonale Säule.
- Sowohl Pb(1) als auch Pb(2) besitzen ein isoliertes 6s²-Elektronenpaar, doch in der berechneten Elektronenlokalisierungsfunktion ist nur das isolierte Elektronenpaar von Pb(2) stereochemisch aktiv.
- Das isolierte Elektronenpaar von Pb(2) bildet eine chirale Anordnung mit etwa 105° zur a-Achse und verdrängt die umgebenden Sauerstoffatome asymmetrisch, wodurch eine chirale Ladungsdichtewelle entsteht.
- Da diese Sauerstoffatome mit PO4 Kanten teilen, breitet sich die vom isolierten Elektronenpaar von Pb(2) ausgehende Strukturverzerrung auf die gesamte Struktur aus.
Strukturelle Rekonfiguration durch Cu-Substitution
- Wenn Cu einen Pb(1)-Platz substituiert, nehmen die Gitterkonstanten ab.
- a: 9.875 Å → 9.738 Å
- c: 7.386 Å → 7.307 Å
- Die berechneten Änderungen der Gitterkonstanten zeigen eine stärkere strukturelle Kontraktion als die zuvor berichteten Änderungen vor und nach der Cu-Substitution.
- Frühere Berichte: a von 9.865 Å auf 9.843 Å, c von 7.431 Å auf 7.428 Å
- Die Cu-Substitution induziert nicht nur am Cu-Platz, sondern auch an anderen Pb(1)-Plätzen eine globale Strukturverzerrung, die die Koordinationszahl von 9 auf 6 verändert.
- Diese Verzerrung ergibt sich vor allem aus der Neigung der PO4-Polyeder und der Bewegung benachbarter Sauerstoffatome mit gemeinsamer Kante.
- In der Analyse symmetrieadaptierter Phononmoden betragen die Amplituden der Γ1- und Γ2-Moden jeweils 1.19 Å und 1.78 Å.
- Cu²⁺ bindet an sechs Sauerstoffatome und bildet eine verzerrte Jahn-Teller-trigonale-prismatische Koordination.
- Die Cu-O-Bindungslängen betragen 2.06 Å auf der Seite mit benachbartem P und 2.35 Å auf der Seite ohne benachbartes P.
- Die oberen und unteren Sauerstoffdreiecke zeigen eine Bailar-Twist-Form mit einer Rotation von etwa 24°.
- Diese asymmetrische Cu-Umgebung könnte auch lokale Dipole in z-Richtung beeinflussen.
Isolierte flache Bänder am Fermi-Niveau
- In spinpolarisierten Elektronstrukturberechnungen erscheint ein Satz isolierter flacher Bänder, der das Fermi-Niveau kreuzt.
- Die maximale Bandbreite beträgt etwa 130 meV.
- Die Trennung zu den übrigen Valenzbändern beträgt 160 meV.
- Die geringe Bandbreite wird als Hinweis auf ein stark korreliertes Band interpretiert und steht auch im Zusammenhang mit den Cu-O-Bindungslängen und der ungewöhnlichen Cu-Koordinationsumgebung.
- Im Kristallfeld eines verzerrten trigonalen Prismas wird für die d9-Konfiguration von Cu²⁺ eine halbgefüllte doppelt entartete dyz/dxz-Bandstruktur erwartet.
- Auch in den Berechnungen erscheinen am Fermi-Niveau zwei halbgefüllte Bänder mit dyz/dxz-Charakter.
- Die Niederenergiephysik kann mit einem 2-Band-dyz/dxz-Modell beschrieben werden, ähnlich dem Modell, das für Fe-Pniktid-Supraleiter vorgeschlagen wurde.
- Wird Pb(1) ohne strukturelle Relaxation einfach durch Cu ersetzt, bleiben die Cu-d-Zustände innerhalb des Bulk-Valenzbands und bilden keine isolierten Bänder.
- Das isolierte flache Cu-d-Band geht daher eher auf strukturelle Rekonfiguration und das Kristallfeld der Apatit-Netzwerkstruktur zurück als auf die bloße Substitution selbst.
Mögliche Supraleitung und verbleibende Einschränkungen
- Die Struktur mit Cu auf dem Pb(1)-Platz zeigt mehrere Merkmale, die bei Hochtemperatursupraleitern als wichtig gelten.
- sehr flache isolierte d-Bänder
- mögliche magnetische Fluktuationen
- mögliche Ladungs- und Phononfluktuationen
- Flache Bänder gelten im Rahmen der BCS-Theorie als Ziel für hohe TC-Werte; wenn die Zustandsdichte in einem flachen Band divergiert, kann TC proportional zur Wechselwirkungsstärke werden.
- In diesem System wurden in den Berechnungen mehrere mögliche Fluktuationen identifiziert, die mit Paarbildung zusammenhängen könnten.
- die Ladungsdichtewelle, die durch die chirale Anordnung des isolierten Elektronenpaars von Pb(2) entsteht
- zwei zone-center-Phononmoden, die durch Cu-Substitution eine globale Strukturverformung auslösen
- die Austauschwechselwirkung zwischen Cu-Atomen in benachbarten Einheitszellen
- Die Cu-Cu-Austauschwechselwirkung zeigt je nach Richtung unterschiedliche Präferenzen.
- entlang der c-Achse, bei einem Cu-Cu-Abstand von 7.307 Å, ist ferromagnetische Kopplung gegenüber antiferromagnetischer um 2 meV/Cu günstiger
- in der Ebene, bei einem Cu-Cu-Abstand von 9.738 Å, ist antiferromagnetische Kopplung um 7 µeV/Cu günstiger
- dieses Ergebnis beruht auf der unrealistischen Annahme, dass Cu in jeder Einheitszelle dieselbe Substitutionsposition einnimmt
- Wenn Cu einen Pb(2)-Platz substituiert, ordnet sich die Struktur zu einer niedrigeren P1-Symmetrie um, und Cu bildet mit Sauerstoff eine tetraedrische Koordination.
- In diesem Fall erscheint kein korreliertes d-Band, das das Fermi-Niveau kreuzt.
- Da die Pb(2)-Substitution energetisch um 1.08 eV günstiger ist als die Pb(1)-Substitution, könnte die Synthese der gewünschten Substitution auf dem Pb(1)-Platz schwierig sein.
1 Kommentare
Hacker-News-Meinungen
Es sieht immer mehr danach aus, dass LK-99 echt sein könnte. Dieses Paper ist eine theoretische Arbeit und sieht eine bestimmte Cu-Substitution an einer bestimmten Pb-Atomposition als entscheidend dafür an, dass eine Bandstruktur möglich wird, wie man sie häufig bei Hochtemperatur-Supraleitern sieht.
Praktisch gesprochen heißt das: Die Synthese von supraleitendem LK-99 ist nicht einfach; es funktioniert nur, wenn man eine richtige Substitutionslegierung herstellt.
Es ist ein DFT-Paper und behandelt, dass die bei Hochtemperatur-Supraleitern beobachtete Bandstruktur auf natürliche Weise entsteht und dass auch die für Supraleitung stets nötige starke Elektron-Phonon-Kopplung aus der Struktur heraus natürlich entsteht.
Bisher macht mich das am meisten gespannt auf die Möglichkeit eines Supraleiters bei Raumtemperatur und Normaldruck.
Naiv betrachtet wirkt es, als sei LK-99, falls es echt ist, fast durch Glück entdeckt worden.
Ich frage mich, ob Festkörpertheorie ähnlich unterbestimmt ist, sodass man zu jedem Ergebnis eine Theorie passend machen kann, oder ob dieses Paper wirklich aussagekräftig ist.
Danach könnte man nach leicht herstellbaren und gängigen Ausgangsstoffen filtern und diese zuerst testen. Ich weiß nicht, was ich dabei übersehe.
Selbst wenn LK99 nicht echt ist, waren die letzten zwei Wochen wirklich aufregend. Ich weiß überhaupt nichts über Materialwissenschaft, aber ich habe die reine Begeisterung und den Optimismus der Wissenschaftsgemeinde genossen und hatte das Gefühl, Teil von etwas Einzigartigem und Besonderem zu sein, das nur durch zugängliche Wissenschaftskommunikation für die breite Öffentlichkeit möglich war.
Die Aufregung hier ist förmlich greifbar, und ich fühle mich glücklich, diesen winzigen Moment der Menschheitsgeschichte mit so vielen Menschen teilen zu können.
Dann fällt mir ein, dass wir im Technologiebaum weiter vorne stehen als sie und was für ein großes Geschenk das ist. Es ist wirklich aufregend zu sehen, wie der Technologiebaum in Echtzeit aktualisiert wird.
Anders als das derzeitige düstere Gruppendenken glaube ich, dass die Zukunft der Menschheit hell ist, und manchmal beneide ich die kommenden Generationen.
Dieses Paper stammt von einem Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory, der LK99 simuliert und dabei Merkmale gefunden hat, die mit Hochtemperatur-Supraleitern verbunden sind.
Im letzten Absatz direkt vor den Danksagungen weist er auf Eigenschaften hin, die die Synthese erschweren könnten, und schließt mit: „Dennoch erwarten wir, dass die Identifizierung dieser neuen Materialklasse weitere Untersuchungen dotierter Apatitminerale anregen wird, da es interessante theoretische Signale und experimentelle Berichte über die Möglichkeit von Hoch-Tc-Supraleitung gibt.“
Nebenbei: Ich habe die Highschool abgebrochen und einmal an einem Physikprojekt gearbeitet.
„Wenn es jedoch an einer anderen Pb(2)-Position substituiert wird, scheinen diese gewünschten Eigenschaften nicht aufzutreten, obwohl dies ein energetisch günstigerer Substitutionsplatz ist. Dieses Ergebnis deutet auf eine synthetische Schwierigkeit hin, für eine Bulk-supraleitende Probe eine Cu-Substitution an der richtigen Position sicherzustellen.“
Ich beginne jetzt wirklich zu glauben, dass LK-99 stimmen könnte.
Die Skepsis ist groß, und das sollte sie auch sein, aber Dinge, die erreichbar waren, nur schwer zu entdecken, entfalten sich schnell. Was fällt als Nächstes?
Ich weiß, dass ich irrational überheblich klinge und dass Irrtum oder Fälschung weiterhin wahrscheinlicher sind. Trotzdem fühlt es sich an, als würden langfristige Investitionen in KI, Raumfahrt, Krebstherapien, Altersforschung, Elektroautos und sogar fliegende Autos und Kernfusion schnell der Ernte näherkommen. Es ist eine gute Zeit, am Leben zu sein.
Ich frage mich, ob es eine Methode gibt, Cu an die richtige Position zu zwingen, oder ob der Weg nach vorn darin besteht, neue Materialien mit ähnlichen Eigenschaften zu finden.
Wenn die Wahrscheinlichkeit steigt, dass LK-99 oder ähnliche Materialien tatsächlich High-Tc-Supraleiter sind: Worauf würden sich kluge Leute vorbereiten? Was wären gute Investments, welche Unternehmen würden entstehen oder in welche Richtung würden bestehende Unternehmen umschwenken?
Man müsste die klügsten und engagiertesten technischen Fachkräfte aus der CRUD-App-Entwicklung, die das Zehnfache akademischer Gehälter zahlt, zurück ins Labor holen
Wenn diese Entdeckung stimmt, hatten wir Glück. Nach der bekannten LK-99-Geschichte wäre sie beinahe nicht passiert, und das heutige System ist nicht darauf ausgelegt, solche Entdeckungen schnell hervorzubringen
Milliarden Dollar für Grundlagenforschung nach dem Motto „Findet einfach etwas Wichtiges“ auszugeben, ist im Vergleich zu den Kosten, die der Menschheit durch ein Leben ohne High-Tc-Supraleiter entstehen, extrem billig
Grüne Energie wird plötzlich viel realistischer. Riesige Projekte an den effizientesten Standorten könnten Energie über weite Strecken transportieren und praktisch verlustfrei speichern, wodurch sich regionale Schwankungen bis zu einem gewissen Grad abfedern ließen. Das gilt besonders, wenn in einer verlässlichen Weltordnung ein integriertes globales Stromnetz möglich wäre
Ich habe gelesen, dass LK99 beim Transport großer Ströme Grenzen haben könnte, aber andere Ansätze könnten besser sein
Bei Elektroautos würden sich Motoren, Batterien, Ladezeiten und Gewicht verbessern, was den Markt stark verändern würde. Außerdem wäre es deutlich sicherer als die meisten heutigen Autobatterien
Im Computing wären schnelle, kühle und effiziente widerstandslose Transistoren ein großer Durchbruch. Die Leistung fortschrittlicher Komponenten würde sprunghaft steigen, und Cloud-Hyperscaler würden ihre Recheninfrastruktur komplett umbauen. TSMC und ASML könnten einen enormen Anstieg neuer Aufträge sehen
Die erste Wette wäre natürlich, den Patenten zu folgen. Darüber hinaus wären meine Wahl Industrieunternehmen, die Dinge herstellen, mit denen man Dinge herstellt, etwa Firmen für Fabrikautomatisierung, danach TSMC, ASML und vielleicht Unternehmen wie Apple/AWS, bei denen die Nachfrage nach Produkten mit Raumtemperatur-Supraleitertechnik stark steigen würde
Wenn man das Funktionsprinzip versteht, werden natürlich viele Leute Forschung in zuverlässigere Prozesse stecken, aber das wird Zeit brauchen. Ich weiß nicht, ob es einen klaren Weg nach vorn gibt
Wenn es zum Beispiel ein extrem sprödes Material ist, wäre der Anwendungsbereich begrenzt
Ein paar Punkte dazu
Falls nicht, ist es zwar kein Beweis für Supraleitung, erfüllt aber eine weitere Eigenschaft, die man auf Grundlage der bisherigen Hinweise auf Supraleitung erwarten würde
In diesem Thread gibt es viel Optimismus, aber ich frage mich, wie viel tatsächliche Vorhersagekraft in der Quantenchemie DFT oder überhaupt ein theoretisches Modell hat. Ich hatte in diesem Bereich immer den Eindruck, dass am Ende das Ergebnis der Beweis ist
Ich hoffe auch, dass es stimmt, aber DFT, die keine Observablen berechnet, messe ich nicht viel Gewicht bei. Insofern: ja, stimmt
Selbst wenn Ergebnisse oberflächlich gut aussehen, können sie schon bei sehr einfachen Molekülen stark von der Realität abweichen. Da es sich hier um ein Kristallgitter handelt, würde ich DFT und andere Rechenergebnisse mit großer Skepsis betrachten
LDA-DFT ist wahrscheinlich wie in den meisten Fällen nicht besonders gut, aber auch wenn LK99 vielleicht nicht seine Stärke ist, wären DFT+GW-Rechnungen sehr interessant
Das unterscheidet sich völlig von der Suche nach Verbindungen mit bestimmten Eigenschaften, und eine solche Suche ist ein deutlich fehleranfälligerer Prozess
Ich bleibe skeptisch, aber es gibt einen kleinen Hoffnungsschimmer; und wenn dieses Material wirklich ein Supraleiter ist, ist eine solche Analyse nützlich, um Hochtemperatur-Supraleiter besser zu verstehen. Selbst wenn es kein Supraleiter ist, wäre es interessant zu wissen, was anders ist, sofern die Analyse stimmt
Dass im Abstract so viele Grammatikfehler sind, ist irgendwie amüsant. Vermutlich liegt es daran, dass Englisch nicht ihre Muttersprache ist, aber es klingt so, als hätten sie nach einem 20-stündigen Labormarathon und zu viel Koffein endlich Ergebnisse bekommen und dann wie im Rausch das Paper heruntergetippt :D
https://en.wikipedia.org/wiki/Sin%C3%A9ad_Griffin
Erklärung in „einfachem Englisch“: https://nitter.net/Andercot/status/1686215574177841152#m
Erstaunlich ist unter anderem, dass es nach der ersten Entwicklung des Transistors etwa fünf Jahre dauerte, bis er in Konsumprodukte integriert wurde
LK-99 sieht vielversprechend aus und könnte zumindest nebenbei interessante Entdeckungen hervorbringen. Wenn es wirklich „das Ding“ ist, könnten wir kommerzielle Anwendungen deutlich schneller sehen, besonders wenn die Synthese vergleichsweise einfach ist. Man könnte sich kaum in einer spannenderen Zeitlinie befinden
Bei diesem Material ist es, selbst wenn man annimmt, dass alles stimmt, eher auf dem Niveau eines ersten Hinweises darauf, dass vielleicht eine Halbleiterdiode möglich sein könnte. Es muss erst noch die Transistor-Stufe erreicht werden, also der Punkt, an dem man ein paar Zentimeter brauchbaren Leiter herstellen kann, selbst wenn es teuer ist
Erst danach kann man über Massenproduktion in der gewünschten Länge und Kommerzialisierung nachdenken. Aus strenger materialwissenschaftlicher Sicht bleibt also selbst dann, wenn alles Bisherige stimmt, noch enorm viel zu tun
Auch wenn nicht der gesamte Bulk ein Supraleiter ist, besteht durchaus die Möglichkeit, dass kleine Bereiche supraleitend sind; tatsächlich ist diese Möglichkeit größer als die, dass das Ganze supraleitend ist. Und die Wahrscheinlichkeit, dass es schlicht falsch ist, bleibt ebenfalls hoch
Trotzdem wäre schon ein supraleitendes Teilchen kleiner als 1 mm eine gewaltige Entdeckung