- Das Forschungsteam behauptet, dass LK-99 mit einer modifizierten Blei-Apatit-Struktur bei Normaldruck ein Raumtemperatur-Supraleiter mit Tc ≥ 400K, 127°C sei
- Als Belege werden Widerstandslosigkeit und Meißner-Effekt sowie kritische Temperatur, kritischer Strom, kritisches Magnetfeld sowie XRD-, XPS-, EPR-, Wärmekapazitäts- und SQUID-Analysen angeführt
- Der zentrale Mechanismus wird so erklärt, dass Cu²⁺ die Position von Pb²⁺ ersetzt und dadurch eine Volumenschrumpfung von 0,48 % erzeugt; diese Spannung verzerre die Grenzfläche der zylindrischen Pb(1)-Säule und bilde ein supraleitendes Quantenwellensystem (SQW)
- Bei Dünnschichtproben wurden Spannungen im Bereich von 0.1µV/cm und eine Resistivität auf dem Niveau von 10⁻¹⁰~10⁻¹¹Ω·cm angegeben; außerdem sei selbst bei 400K und über 3000Oe ein kritischer Strom von 7mA verblieben
- Das Fazit der Arbeit lautet, dass die Supraleitung von LK-99 bei Raumtemperatur und Normaldruck nicht aus externem Druck oder Tieftemperatur, sondern aus mikroskopischen Verzerrungen und Dehnungen innerhalb der Struktur hervorgehe
Behauptung einer Supraleitung von LK-99 bei Raumtemperatur und Normaldruck
- Das Forschungsteam behauptet, einen Raumtemperatur-Supraleiter synthetisiert zu haben, der bei Normaldruck funktioniert
- Der Stoff heißt LK-99
- Die Struktur ist ein modifizierter Blei-Apatit (lead-apatite)
- Die kritische Temperatur wird mit Tc ≥ 400K, also über 127°C, angegeben
- Es wird erklärt, dass frühere Raumtemperatur-Supraleiter auf Basis von hydrogen sulfide und yttrium super-hydride extrem hohe Drücke benötigen und deshalb schwer in Alltagsgeräten einsetzbar sind
- LK-99 wird als Fall dargestellt, in dem Temperatur- und Druckprobleme durch einen chemischen Ansatz gelöst wurden
Zur Beurteilung der Supraleitung verwendete Messungen
- Das Paper legt zur Beurteilung der Supraleitung von LK-99 mehrere Punkte gemeinsam vor
- kritische Temperatur (Tc)
- Widerstandslosigkeit
- kritischer Strom (Ic)
- kritisches Magnetfeld (Hc)
-
Meißner-Effekt
- XRD-, XPS-, EPR-, Wärmekapazitäts- und SQUID-Analysen
- Spannungs-Strom-Messungen wurden im Bereich von 298K~398K in Abständen von 20K durchgeführt
- Die Messungen erfolgten bei 10⁻³ Torr Vakuum mit einem DC-Polungswechselverfahren
- Der spezifische Widerstand der Bulk-Probe wurde im Bereich von 10⁻⁶~10⁻⁹Ω·cm gemessen
- Die Dünnschichtproben wurden per thermischer Verdampfung auf einer Präzisionsglasplatte hergestellt
- Die gemessene Spannung lag im Bereich von 0.1µV/cm
- Die berechnete Resistivität betrug 10⁻¹⁰~10⁻¹¹Ω·cm
- Das Paper wertet dieses Ergebnis als Erfüllung der Bedingungen für Widerstandslosigkeit nach IEC-Standard
Magnetische und Strom-Eigenschaften, die bis 400K erhalten bleiben
- Es wird angegeben, dass bei einem Magnetfeld von 10Oe die DC-Magnetisierung bei Zero-Field Cooling und Field Cooling bis 400K negativ blieb
- Das Forschungsteam interpretiert dies als Beleg dafür, dass die supraleitende Phase bis 400K existiert
- Der kritische Strom sei selbst bei 400K und über 3000Oe nicht null gewesen und werde mit 7mA angegeben
- Auf Basis dieser Ergebnisse kommt das Paper zu dem Schluss, dass die kritische Temperatur von LK-99 über 400K liege
- LK-99 wird in polykristalliner Form beschrieben
- Der inhomogene Widerstand der Bulk-Probe wird mit Korngrenzen, intergranular vortex flow und free vortex flow in Verbindung gebracht
- Im Zusatzmaterial sind auch Beobachtungen Josephson-ähnlicher Phänomene und thermoelektrischer Effekte enthalten
Strukturanalyse und Cu-Substitutionsmechanismus
- Laut XRD-Ergebnissen ist LK-99 polykristallin, und die Hauptpeaks passen gut zur Blei-Apatit-Struktur
- Einige Cu₂S-Verunreinigungen treten ebenfalls auf
- Die Gitterparameter des ursprünglichen Blei-Apatits sind a=9.865Å, c=7.431Å
- Die Gitterparameter von LK-99 sind a=9.843Å, c=7.428Å, und das Volumen ist um 0,48 % reduziert
- Die erwartete chemische Formel ist Pb₁₀₋ₓCuₓ(PO₄)₆O, x=0.9~1.0
- Die Struktur wird so beschrieben, dass etwa eine der Pb(2)-Positionen im Blei-Apatit durch ein Cu(II)-Ion ersetzt ist
- Die Größe des Cu²⁺-Ions beträgt 87pm, die des Pb²⁺-Ions 133pm
- Die Interpretation lautet, dass die kleinere Cu²⁺-Substitution eine Volumenschrumpfung verursacht und diese Schrumpfung Spannungen im Netzwerkteil erzeugt
- Berechnungen der Elektronendichte und XPS-Analysen führen zur Interpretation, dass die Spannung die zylindrische Säulenstruktur von Pb(1) beeinflusst
- Die Position von Pb(1) verschiebt sich in der Ebene der a-Achse leicht nach innen oder außen
- Der Abstand einer Schicht der Pb(1)-Dreiecksstruktur verringert sich von 3.03340Å auf 2.61815Å
- Der Abstand zur nächsten Schicht vergrößert sich auf 5.23476Å
- Der Schichtabstand entlang der c-Achse beträgt 3.7140Å und ist damit fast identisch mit 3.7153Å von Blei-Apatit
Interpretation des supraleitenden Quantenwells (SQW)
- Das EPR-Signal wird in einer Form dargestellt, die Fällen wie Heteroübergangs-Quantenwellsystemen wie Si/SiGe, trockener natural DNA und Mg²⁺-dotiertem α-Fe₂O₃ ähnelt
- Das Forschungsteam interpretiert dieses Signal als Zyklotronresonanzsignal des zweidimensionalen Elektronengases (2-DEG) in einem Quantenwellensystem
- Nach dieser Interpretation entsteht an der Grenzfläche zwischen Pb(1) und dem Phosphat-Sauerstoff ein supraleitendes Quantenwellensystem (SQW)
- Die Supraleitung von LK-99 wird als eng mit diesem SQW verbunden zusammengefasst
- Auch die Ergebnisse zur Wärmekapazität werden als passend zu einem neuen Modell zur Erklärung der Supraleitung von LK-99 dargestellt
- Das abschließende Fazit lautet, dass eine einzigartige Struktur, die mikroskopisch verzerrte Grenzflächenstrukturen aufrechterhalten kann, die Supraleitung von LK-99 bei Raumtemperatur und Normaldruck ermöglicht
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Selbst wenn der Inhalt des Papers vollständig stimmt, könnte das Material in seiner jetzigen Form nur begrenzt anwendbar sein.
Das angegebene kritische Magnetfeld und der kritische Strom wirken sehr niedrig. 2500 Oe entsprechen etwa 0,25 T, und selbst REBCO überschreitet bei 77 K 1 T. Außerdem ist 2500 Oe kein Wert bei der kritischen Temperatur, sondern bei einer deutlich niedrigeren Temperatur.
Die Größe der Probe für die Strommessung konnte ich nicht finden, daher lässt sich die kritische Stromdichte nicht bestimmen; ein Strom von nur etwa 300 mA ist wenig aussagekräftig. Noch scheint es schwierig, große Ströme hindurchzuleiten, und die typischen Anwendungen einer Raumtemperatur-Supraleiter-Revolution wie starke Magnete oder Stromleitungen wirken schwer realisierbar. Natürlich könnten schon kleine Anpassungen am Material zu hohem J_c und B_c führen; ich hoffe wirklich, dass es so kommt.
Unreine Supraleiterproben geraten leicht in einen schwammartigen Zustand, in dem supraleitende und nicht supraleitende Bereiche gemischt sind; oft tragen tatsächlich weniger als 25 % des Querschnitts den Strom, was den kritischen Strom begrenzt. Als ich früher selbst YBCO hergestellt habe, war es meistens genau so, und gelegentlich entstand eine gute Probe.
Es gibt auch ein Patent zum Wachstum von YBCO-Einkristallen: https://patents.google.com/patent/US6046139A/en
Wenn man sich das Foto der Probe auf Seite 7 des Papers ansieht, wirkt sie tatsächlich wie ein schwammartiger Klumpen. Es könnte ein Nobelpreis-würdiger Schwammklumpen sein, aber es bleibt ein Schwamm. Ich gehe davon aus, dass bessere Kristallwachstumsverfahren die Kennzahlen verbessern werden.
Sobald bestätigt ist, dass es möglich ist, muss die Optimierung nicht unbedingt lange dauern. Transistoren waren auch einmal riesig und sind heute im Nanometerbereich; Solarzellen wurden kontinuierlich verbessert, und Batterien sind billiger und besser geworden als früher.
Für ein paar Jahre war das ein großes Thema in den Nachrichten für Wissenschafts-Nerds, und auch im New Scientist für allgemeine Leser erschienen begeisterte Artikel. Kernfusion lag immer noch 50 Jahre in der Zukunft, aber Raumtemperatur-Supraleiter schienen innerhalb weniger Jahre zu kommen — was natürlich nicht geschah.
Als ich Mitte bis Ende der 1980er eine Privatschule in Oxfordshire besuchte, fuhren wir mit dem Physikkurs auch nach Culham, und Physiker aus Culham kamen an unsere Schule und hielten Vorträge. Rückblickend war das ein enormes Privileg. Jetzt, mit 53, merke ich, dass manche Dinge wirklich viel Zeit brauchen.
Ich würde es auch für Antennen, Übertragungsleitungen und abgestimmte Hohlräume verwenden wollen. Im VLF-Bereich braucht man oft sehr lange Drähte, und ohne Verteidigungsbudget sinkt die Effizienz wegen des Widerstands stark. Supraleiter könnten dieses Problem lösen.
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/SQUID
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Aharonov%E2%80%93Bohm_effect
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Longitudinal_wave#Electromagne...
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_radio_frequenc...
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Very_low_frequency#Amateur_use
Einer der Autoren des zugehörigen Papers[1], Hyun-Tak Kim, hat viele peer-reviewte Journalartikel[2], darunter auch eine Arbeit mit über 1.500 Zitierungen[3]
Ich weiß nicht, wo der Haken ist, aber es wirkt ziemlich seriös. Anders als bei früheren Behauptungen braucht man zur Reproduktion offenbar keine komplizierte Ausrüstung, und diese Synthese sieht sehr einfach aus, sodass Ergebnisse anderer Forschender wohl bald kommen dürften
Erstaunlich ist weniger das Schweben an sich, sondern wie sehr es die Welt verändern würde, wenn es wirklich ein Supraleiter bei Raumtemperatur und Normaldruck ist und sich noch dazu leicht herstellen lässt. Zu schön, um wahr zu sein
Die im zugehörigen Paper[1] beschriebene Herstellungsmethode ist ziemlich simpel und scheint zu Hause machbar zu sein, wenn man nur einen 200-Dollar-Haushaltsofen zum Metallschmelzen von Amazon und die Vorläuferstoffe hat
Falls das stimmt, werden kluge Leute aus der Hackaday- oder YouTube-Ecke es vermutlich innerhalb von Tagen oder Wochen reproduzieren
Wenn es real ist, gibt es offensichtliche Vorteile bei Energieübertragung und Stromerzeugung, und mit einem Raumtemperatur-Supraleiter könnten die technischen Anwendungen explosionsartig zunehmen. Ähnlich wie Lithium-Ionen-Akkus die Energienutzung in der Gesellschaft langsam verändert haben, nur womöglich schneller. Hoffentlich lässt es sich reproduzieren
[1] https://arxiv.org/pdf/2307.12037.pdf Seite 3
Die Wahrscheinlichkeit ist höher, dass man sein eigenes Grundstück und das der Nachbarn kontaminiert, als dass man die Reproduktion schafft
Im Schwester-Paper[0] gibt es ein Foto des Materials, das durch den Meißner-Effekt über einem Magneten schwebt, und es wird behauptet, es gebe auch ein Video
Es sieht so aus, als hätten sie das Foto entweder dreist gephotoshoppt oder tatsächlich einen Raumtemperatur-Supraleiter hergestellt. Ich kann mir kaum einen subtilen Fehler vorstellen, der magnetische Levitation bei Raumtemperatur erklärt, ohne dass es ein Supraleiter ist
[0] - https://arxiv.org/abs/2307.12037
Irgendjemand soll mich bitte wieder runterholen. Ich bin viel zu aufgeregt
Trotzdem heißt es im Video, der Supraleiter sei als Dünnschicht auf Kupfer aufgebracht worden; ich frage mich, ob nicht auch reines Kupfer wegen Wirbelströmen einen ähnlichen Effekt zeigen könnte. Ich weiß nicht genau, welchen Einfluss die dünne Schicht in diesem Experiment auf die Platte hat, und falls ich etwas übersehe, möge mich bitte jemand aufklären
Das könnte deutlich größer sein, als man zunächst denkt
Im Abstract heißt es: „Die Supraleitung von LK-99 geht auf eine leichte Volumenkontraktion zurück, die eine mikroskopische Strukturverzerrung erzeugt“
Es gab früher schon Forschung dazu, welchen Einfluss Änderungen in der atomaren Strukturordnung, etwa durch Abkühlung, auf Supraleitung haben. Ich meine, Forschende hätten versucht, die Abstände in Supraleitern im kalten Zustand auch nach dem Erwärmen beizubehalten. Das scheint in dieselbe Richtung zu gehen; ich konnte die Arbeit aber nicht wiederfinden, also bitte korrigieren, falls das falsch ist
Es könnte weiterhin ziemlich spröde und heikel in der Handhabung sein, aber die Möglichkeit wirkt echt
https://news.ycombinator.com/item?id=36479776
Die Grafik auf Seite 3 sieht genau so aus, wie man es bei einem echten Supraleiter erwarten würde, besonders die Beziehung zwischen Strom, Spannung und Temperatur
Ich weiß nicht, wie solche Graphen sonst entstehen sollten, außer sie haben einen Supraleiter hergestellt oder die Daten dreist manipuliert. Das könnte riesig werden
Wenn es reproduziert wird, ist es ein historisches Ereignis; wenn nicht, wird es so eine Sache wie kalte Fusion bei Raumtemperatur oder überlichtschnelle Neutrinos
Dieser Kommentar-Thread von Supraleitungsforschern ist lesenswert: https://www.reddit.com/r/worldnews/comments/159g2k4/comment/...
Sie sagen, das Paper habe viele Probleme und erreiche nicht den aktuellen Standard der Supraleitungsforschung. Einer von ihnen meint sogar, Dias’ Forschung wirke plausibler als diese
Es erscheint unwahrscheinlich, dass eine Verbindung unterbrochen wurde und sich dann genau passend wieder geschlossen hat. Trotzdem bleibe ich ziemlich skeptisch
Falls das stimmt, wäre es enorm. Ich bin kein Chemieexperte, aber die Synthese wirkt im Grunde trivial – wenn man ein Vakuum von 10e-5 torr als trivial ansieht; auch die Materialien sehen nach leicht erhältlichen Standardmetallen aus
Nach der Beschreibung könnte man es scheinbar sogar zu Hause herstellen. Der Suchraum ist unvorstellbar groß, daher ist es möglich, dass ein solches Material existiert, aber die Qualität des Papers selbst ist nicht gerade Anlass zur Freude
Bis echte Materialwissenschaftler es bewerten oder jemand anders es reproduziert, bleibe ich bei gesunder Skepsis
Es sieht sogar so aus, als wäre das normalerweise nötige vorsichtige, langsame Annealing in strömender Sauerstoffatmosphäre nicht erforderlich. Es würde mich nicht wundern, wenn noch einfachere Methoden möglich wären
Bei einer schnellen YBCO-Synthesemethode verwendet man zum Beispiel ein kleines Alumina-Boot, Glaswolle, eine 800-W-Haushaltsmikrowelle und eine leicht modifizierte Vorläufermischung. Beim Erhitzen tritt Sauerstoff aus der Mischung aus und wird in der Glaswolle um die Probe herum eingeschlossen, sodass man keinen Sauerstoffkonzentrator anschließen muss. Soweit ich mich erinnere, dauerte die Probenvorbereitung nur etwa 15 Minuten
Wirklich aufregend. Ich habe über Jahre hinweg Hunderte Papers zur Herstellung und zum Testen von Supraleitern gelesen, und zumindest aus Sicht eines Citizen-Mad-Scientist scheint es alle Merkmale von Legitimität zu haben
Auch ein 10e-5-Vakuum ist mit einer Turbopumpe, die von einer mechanischen Pumpe unterstützt wird, leicht erreichbar und keine besondere oder teure Ausrüstung
Der Elektronenstrahlschweißer bei der Arbeit hält in der E-gun-Kammer mit nur einer kleinen Turbopumpe oder Diffusionspumpe den ganzen Tag 10E-6/10E-7. Auch die Kammer besteht nicht aus besonderen Materialien, sondern nur aus Edelstahl oder Aluminium und etwa Viton-O-Ringen
Der Elektronenstrahlschweißer bei der Arbeit hält in der E-gun-Kammer mit nur einer kleinen Turbopumpe oder Diffusionspumpe den ganzen Tag 1E-6/1E-7. Auch die Kammer besteht nicht aus besonderen Materialien, sondern nur aus Edelstahl oder Aluminium und etwa Viton-O-Ringen
Bei meinem kleinen e-gun-Experiment erreiche ich schon nur mit einer Alcatel Pascal 2008 ungefähr 3E-3. Jetzt baue ich ein größeres System mit einer VHS4-Diffusionspumpe und cold trap, und ich denke, es wird problemlos in den -6-Bereich kommen
Ein interessantes Paper. Ich hoffe, es läuft nicht so wie bei dem anderen Team, das 2020 einen Raumtemperatur-Supraleiter behauptete und später als Betrug entlarvt wurde
https://www.nature.com/articles/d41586-023-02401-2
Diese Behauptung ist sehr einfach zu verstehen und zugleich sehr konsistent mit Supraleitung. Das Phänomen zeigt sich bei Normaldruck und normaler Temperatur im makroskopischen Maßstab; es gibt auch ein Video, das ohne Supraleitung keinen Sinn ergäbe, und vor allem ist die Herstellung des Materials sehr einfach
Labore auf der ganzen Welt dürften keine großen Schwierigkeiten haben, es zu reproduzieren, und auch mehrere YouTuber werden es nachmachen können. Das heißt: Das Ergebnis kann gefälscht sein, aber dann müssten Ergebnisse, Video und Fotos allesamt manipuliert sein. Und weil die Reproduktion so einfach ist, würde es sehr schnell auffliegen
Falls es stimmt, könnte es vor allem wegen der Beschaffungszeit für die Materialien innerhalb weniger Wochen reproduziert werden. Bis zur Veröffentlichung als Paper wird es länger dauern, aber YouTuber könnten schneller sein. Es wird keine Situation sein, in der man erst zwei Jahre später erfährt, dass es Betrug war; spätestens in ein paar Monaten werden wir wissen, ob YouTuber es reproduzieren können, und innerhalb eines Jahres wird sich auch zeigen, ob Labore es reproduzieren konnten
Ich habe das Paper überflogen: Obwohl ich keinerlei Fachkompetenz auf diesem Gebiet habe, liest es sich wie ein reguläres Paper.
Allerdings wirkt es etwas weniger überzeugend, dass es in Word statt in LaTeX geschrieben wurde, und natürlich besteht auch die Möglichkeit, dass die Versuchsanordnung Fehler enthält.
Am auffälligsten fand ich die Erklärung, dass dies in einem Dünnfilm geschah und dass Strukturdefekte Verformungen im Material erzeugen, die wiederum Supraleitung ermöglichen. Vielleicht weil es ein Dünnfilm ist, hielt er bei 25 °C nur etwa 250 mA aus, bevor er die Supraleitung verlor. Selbst wenn das Paper stimmt, könnte es schwierig werden, zu höheren Strömen zu kommen. Oder vielleicht kann man einen breiten Dünnfilm aufrollen und so beliebig viel Strom hindurchleiten.
Korrektur: Ich habe den Teil mit dem Dünnfilm falsch gelesen. Sie haben zwar auch Dünnfilme hergestellt, aber das hauptsächlich beschriebene Testmaterial wird etwa so beschrieben: „Nach der Reaktion wurde reproduzierbar ein dunkelgrauer Ingot erhalten und für elektrische Messungen in eine dünne quaderförmige Form gebracht“; die Abmessungen konnte ich auf die Schnelle nicht finden.
Bei Supraleitern gibt es ein gemeinsames Budget[1] für Magnetfeld, Temperatur und Strom. Bei 25 °C liegt das Material nahe an seiner kritischen Temperatur, daher ist es naheliegend, dass seine Stromtragfähigkeit sinkt. Bei niedrigeren Temperaturen sollte der Dünnfilm mehr Strom führen können.
Wenn man allerdings eine supraleitende CPU bauen will, sind 250 mA ein ausreichender Strom.
[1] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/scbc2.html
Ergänzung nach dem Lesen des Papers: Sie behaupten eine sehr hohe kritische Temperatur von etwa 126 °C. In Abbildung 1e ist die Temperaturabhängigkeit zu sehen; sie liegt viel weiter von der kritischen Temperatur entfernt, als ich erwartet hatte, und bei Raumtemperatur scheint schon eine leichte Kühlung einen großen Effekt zu haben. Ich bin sehr gespannt auf Reproduktionsversuche. Allerdings wirkt dieses Material im Kern eher wie ein zweidimensionales Molekül. Wir setzen seit Jahrzehnten Hoffnungen auf graphene, haben es aber noch nicht in skalierbare Prozesse integriert.
Interessanter ist die Flexibilität. Heutige mit flüssigem Stickstoff gekühlte keramische Supraleiter sind überhaupt nicht flexibel und brechen leicht. Für Übertragungsleitungen mag das in Ordnung sein, für viele Spulen ist es aber schwierig.
Update: Dem Paper zufolge lautet die Antwort „ja“. Dort heißt es: „Auch Josephson-ähnliche Phänomene in unterdämpften Supraleiter-Normalmetall-Supraleiter-Kontakten oder in supraleitenden Kopplungen zwischen Körnern sowie thermoelektrische Effekte zwischen Körnern oder in internen Netzwerken wurden beobachtet.“