Fragen Sie Ethan: Ist LK

Unser Leben in der Moderne wird von den Technologien der Elektronik und der elektrischen Energie dominiert. Unser weltweiter Bedarf an großen Mengen kontinuierlicher Energie unterstreicht die Notwendigkeit einer Effizienzsteigerung in allen Bereichen: von der Energieerzeugung über die Übertragung bis zum Verbrauch. Bei jedem Schritt dieses Prozesses ist der Energieverlust ein Problem, da der bloße Vorgang, Elektronen durch einen stromführenden Draht zu schieben, aufgrund des elektrischen Widerstandsphänomens einen Energieverlust darstellt. Es gibt nur einen physikalischen Umstand, unter dem Strom ohne Widerstand übertragen werden kann: wenn Ihr Material supraleitend ist. Heutzutage gibt es für Supraleiter eine Vielzahl von Anwendungen, von MRT-Geräten über Teilchenbeschleuniger bis hin zu magnetischen Fusionsgeräten und vielen, vielen anderen.

Derzeit sind jedoch nur Materialien bekannt, die unter extremen Bedingungen supraleitend sind: bei sehr niedrigen Temperaturen. Der „heilige Gral“ der Supraleitungsforschung besteht darin, ein Material zu finden, das unter normalen Bedingungen supraleitend ist: bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck. Wenn wir eines finden und flächendeckend umsetzen könnten, könnten wir alle Probleme von Energieverlust und Streuwärme beseitigen: Probleme, mit denen derzeit jeder Verbraucher und Gerätehersteller rechnen muss. Ende Juli 2023 wurde behauptet, dass es sich bei einem neuen Material – bekannt als LK-99 – tatsächlich um den seit langem gesuchten Raumtemperatur-Supraleiter handelt. Aber ist es echt? Viele von Ihnen haben mir darüber geschrieben, darunter Rob Chapman-Smith und Clint Sears, die gefragt haben:

„Wo stehen wir gerade, wenn es darum geht, wie es aussieht, denn es war eine Achterbahnfahrt in Echtzeit der Hoffnung und des Scheiterns … [S]Wissenschaftlich gesehen, wie würden Sie das nachbilden, woher würden wir wissen, dass die Nachbildung korrekt ist? Wie sollen wir wissen, dass es falsch ist?“

Wann immer eine Behauptung aufgestellt wird, die, wenn sie wahr wäre, die Welt verändern würde, ist es wichtig, nicht nur zu verstehen, was wir derzeit wissen, sondern auch, was wir wissen müssen, um genau zu bestimmen, was wahr ist und was nicht. Tauchen wir ein in die Wissenschaft und finden es heraus!

Was ist ein Supraleiter?

Jedes Material weist irgendeine Form von Widerstand auf, wenn man versucht, einen elektrischen Strom durch es zu leiten (also wenn man versucht, die Bewegung von Elektronen darin zu bewirken). Das liegt daran, dass jedes Material von Natur aus eine Eigenschaft hat, die als spezifischer Widerstand bekannt ist: Dabei ergibt der spezifische Widerstand Ihres Materials multipliziert mit seiner Länge und dividiert durch seine Querschnittsfläche das, was wir herkömmlicherweise als Widerstand bezeichnen. (Für diejenigen unter Ihnen, die das Ohmsche Gesetz gelernt haben: V = IR, V ist die Spannung, I ist der Strom und R ist der Widerstand.) Wenn Sie einen kürzeren, dickeren Draht bauen, sinkt der Widerstand; Wenn man einen längeren, dünneren Draht baut, steigt der Widerstand.

Der spezifische Widerstand ist jedoch in den meisten Fällen keine absolute Eigenschaft eines solchen Materials, sondern hängt vielmehr von der Temperatur dieses Materials ab. Bei höheren Temperaturen bewegen sich die Moleküle, Atome und sogar die subatomaren Teilchen innerhalb der Atome schneller und der spezifische Widerstand wird umso größer, je höher die Temperatur ist. Allerdings ist auch das Gegenteil der Fall: Bei niedrigeren Temperaturen bewegen sich die inneren Partikel langsamer, haben weniger Energie pro Partikel und interagieren im Allgemeinen weniger, und der spezifische Widerstand sinkt.

Für die meisten Materialien ist das das Ende der Geschichte: Sie müssten den absoluten Nullpunkt erreichen – einen physikalisch unerreichbaren Zustand –, um einen spezifischen Widerstand von Null und damit einen Widerstand von Null zu erreichen, unabhängig von den anderen Eigenschaften Ihres Materials. Bei einigen Materialien gibt es jedoch eine kritische Schwelle, auf die man sie abkühlen oder darunter abkühlen kann, und wenn man diese Schwelle erreicht, sinken der spezifische Widerstand und der Widerstand auf einmal auf Null. Diese Materialien sind Supraleiter, und der Zustand ohne spezifischen Widerstand und Widerstand ist ein supraleitender Zustand.

Was macht einen Supraleiter aus physikalischer Sicht besonders?

Anstatt herauszufinden, was man erreichen und erschaffen kann, wenn man einen Supraleiter hat – da die meisten dieser Möglichkeiten noch unentdeckt sind – möchte ich Ihnen lieber dabei helfen, zu verstehen, was es einem Material aus physikalischer Sicht ermöglicht, supraleitend zu sein. Unter normalen Umständen, selbst innerhalb eines Leiters, verhindert die bloße Bewegung elektrischer Ladungen, dass ein Material einen supraleitenden Zustand erreicht.

Überlegen Sie, warum das so sein muss. Wenn eine elektrische Ladung in Bewegung ist, und sei es auch nur eine davon, wird um sie herum ein Magnetfeld erzeugt: Das ist eine der Grundregeln des Elektromagnetismus. Elektrische Ströme erzeugen Magnetfelder, und wenn sich das Magnetfeld in Ihrem Leiter überhaupt ändert, beeinflusst dieses sich ändernde Magnetfeld die Bewegung aller sich darin bewegenden Ladungen: ein Phänomen, das der Bewegung der elektrischen Ladung immer Widerstand leistet.

Mit anderen Worten: Es gibt eine Anforderung an „perfekte Leitfähigkeit“, die nicht allgemein anerkannt wird: Das Magnetfeld in Ihrem Leiter kann sich nicht ändern. Wenn wir nur den klassischen Elektromagnetismus (also Maxwells) hätten, wäre eine perfekte Leitfähigkeit physikalisch unmöglich, da ein Strom per Definition einfach durch die Bewegung elektrischer Ladungen erzeugt wird. Es gibt jedoch einen inhärenten Quanteneffekt – den Meissner-Effekt – der bei bestimmten Materialien auftreten kann: Dabei werden alle Magnetfelder innerhalb eines Leiters ausgestoßen. Dadurch wird das Magnetfeld in Ihrem Leiter für jeden Strom, der durch ihn fließt, auf Null gesetzt. Wenn Sie Ihre Magnetfelder ausstoßen, kann sich Ihr Leiter wie ein Supraleiter verhalten, ohne elektrischen Widerstand.

Seit wann wissen wir von Supraleitung?

Ob Sie es glauben oder nicht, die Supraleitung wurde experimentell entdeckt, lange bevor wir die Quantentheorie hatten, die sie beschreiben und erklären konnte. Seine Entdeckung geht auf das Jahr 1911 zurück, als flüssiges Helium erstmals weit verbreitet als Kältemittel eingesetzt wurde. Die Wissenschaftlerin Heike Onnes kühlte mit flüssigem Helium das Element Quecksilber in seine feste Phase herunter und untersuchte anschließend die Eigenschaften seines elektrischen Widerstands. Wie erwartet sank der Widerstand bei allen Leitern mit sinkender Temperatur allmählich, jedoch nur bis zu einem gewissen Punkt. Bei einer Temperatur von 4,2 K verschwand der Widerstand von festem Quecksilber schlagartig vollständig.

Darüber hinaus stellte Onnes bei genauer Untersuchung fest, dass im Inneren des festen Quecksilbers kein Magnetfeld mehr vorhanden war, sobald man diese Temperaturschwelle unterschritt. Später wurde gezeigt, dass mehrere andere Materialien dieses Supraleitungsphänomen aufweisen und alle bei ihren eigenen, einzigartigen Temperaturen zu Supraleitern werden:

und viele andere Elemente und Verbindungen später. Mit ihnen gingen theoretische Fortschritte einher, die den Physikern dabei halfen, die Quantenmechanismen zu verstehen, die dazu führen, dass Materialien supraleitend werden. Es stellt sich jedoch heraus, dass sich nicht alle Supraleiter exakt gleich verhalten.

Was macht ein Material bei höheren Temperaturen supraleitend?

Es stellt sich heraus, dass es zwei Grundtypen von Supraleitern gibt, die kreativ als Typ-I- und Typ-II-Supraleiter bezeichnet werden. Bei einem Supraleiter vom Typ I erfolgt der Übergang in den supraleitenden Zustand sofort und auf einmal: 100 % des inneren Magnetfelds werden verdrängt und 100 % des Materials fallen auf einen elektrischen Widerstand von Null. Bei einem Supraleiter vom Typ II ist das Material jedoch uneinheitlich und es bilden sich Magnetfeldwirbel im Material, wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird, insbesondere bei höheren Feldstärken. Die Magnetfelder werden in der Region außerhalb jedes einzelnen Wirbels ausgestoßen, aber die magnetischen Feldlinien werden im Material innerhalb jedes magnetischen Wirbels „festgehalten“.

Während Supraleitung vom Typ I normalerweise nur bei reinen Metallen auftritt (mit den einzigen bekannten Ausnahmen sind Tantalsilizid und bordotiertes Siliziumkarbid), kann Supraleitung vom Typ II bei einer Vielzahl von Legierungen auftreten. Angesichts der schieren Anzahl der Elemente im Periodensystem, der unvorstellbar großen Zahl an Möglichkeiten, diese Elemente zu kombinieren und miteinander zu verbinden, und der enormen Möglichkeiten, das Material zu dotieren – d. h. das selektive Ersetzen einiger Elemente durch andere –, ist dies möglich Einige Supraleiter vom Typ II tun dies bei Temperaturen, die weit über denen liegen, bei denen ein Supraleiter vom Typ I typischerweise wieder zu einem normalen Leiter wird. Obwohl Supraleiter vom Typ II bereits 1935 experimentell entdeckt wurden, wurden die ersten (relativ) Hochtemperatur-Supraleiter erst in den 1980er Jahren entdeckt.

Welche Temperatur haben die extremsten Supraleiter erreicht, während sie ihren supraleitenden Zustand beibehalten?

Es begann mit einer einfachen Materialklasse: Kupferoxiden. Mitte der 1980er Jahre brachen Experimente mit Kupferoxiden mit den Elementen Lanthan und Barium den langjährigen Temperaturrekord um mehrere Grad und zeigten Supraleitung bei Temperaturen über 30 K. Dieser Rekord wurde schnell durch die Verwendung von Strontium anstelle von Barium gebrochen, und dann wurde erneut – mit deutlichem Vorsprung – durch ein neues Material gebrochen: Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid.

Dies war kein normaler Fortschritt, sondern ein großer Sprung: Anstatt bei Temperaturen unter ~40 K supraleitend zu werden, was bedeutete, dass entweder flüssiger Wasserstoff oder flüssiges Helium erforderlich war, wurde Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid als erstes Material entdeckt Supraleitung bei Temperaturen über 77 K (es ist supraleitend bei 92 K), was bedeutet, dass Sie den viel billigeren flüssigen Stickstoff verwenden könnten, um Ihr Gerät auf supraleitende Temperaturen abzukühlen.

Diese Entdeckung führte zu einer Explosion der Supraleitungsforschung, bei der eine Vielzahl von Materialien eingeführt und erforscht wurden und auf diese Systeme nicht nur extreme Temperaturen, sondern auch extreme Drücke ausgeübt wurden. Nach einem Höhepunkt Mitte der 1990er Jahre wurden jedoch bis 2015 keine Hochtemperatur-Supraleiter mehr gefunden, als ein Team in Deutschland überraschend bekannt gab, dass es sich überraschenderweise um einfachen alten Schwefelwasserstoff (H2S) handelte, der einem Wassermolekül ähnelt, aber Sauerstoff durch Schwefel ersetzt ), wenn es dem enormen Druck von mehr als 1.500.000 normalen Erdatmosphären ausgesetzt wird, supraleitend bei einer satten Temperatur von 203 K.

Wie sind unsere Aussichten, den „heiligen Gral“ eines Raumtemperatur- und Umgebungsdruck-Supraleiters zu erreichen?

Seit diesem Durchbruch im Jahr 2015 gab es in der Supraleitungsforschung Höhen und Tiefen. Es wurde gezeigt, dass eine Klasse von Materialien, die als Lanthanhydride und Superhydride bekannt sind, unter sehr hohen Drücken bei 250–260 K supraleitend ist, was bedeutet, dass man sie in einen herkömmlichen Gefrierschrank werfen oder im Winter (bei hohen Drücken) nach Alaska mitnehmen und beobachten kann zur Supraleitung. Das Bemerkenswerte an diesen Materialien ist, dass das Interesse an ihnen durch theoretische Arbeit geweckt wird, und diese neuen Supraleitungs-Temperaturrekorde entstanden als Ergebnis der experimentellen Untersuchung dieser theoretischen Vorhersagen.

Durch die Betrachtung, wie sich die Atome, aus denen das Material besteht, zu einem Gitter zusammenlagern, und die anschließende Berechnung, wie sich die Elektronenbandstruktur innerhalb des Materials verhält, ergab sich ein möglicherweise interessantes Verhalten, das bedeuten könnte: „Ja, das verhält sich bei hohen Temperaturen wie ein Typ-II-Supraleiter.“ empfohlen.

Aber es läuft nicht alles reibungslos. Während die Elektronenbandstruktur etwas ist, das berechnet und vorhergesagt werden kann, ist es etwas, das nur experimentell gemessen und bestätigt werden kann, ob es supraleitend ist oder nicht und unter welchen genauen Temperaturbedingungen. Darüber hinaus wurden viele angrenzende Behauptungen über Supraleitung, insbesondere von Ranga Dias von der Universität Rochester, zurückgezogen und/oder entlarvt, da in den letzten Jahren immer mehr Beweise für Betrug, Plagiat, Nichtreproduzierbarkeit und Täuschung aufgetaucht sind.

Was ist also LK-99, warum ist es interessant, ist es überhaupt supraleitend und kann es bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck supraleitend sein?

In den 1990er Jahren erforschte Tong-Shik Choi, Professor an der Universität Korea, die Supraleitung aus theoretischer Sicht und entwickelte einen neuen Ansatz zur Berechnung der Elektronenbandniveaus in Materialien, der darauf hindeutete, dass eine neuartige Gruppe von Materialien gute Kandidaten für Hochtemperatur-Supraleiter sein könnten . Zwei von Chois damaligen Schülern waren Sukbae Lee und Ji-Hoon Kim, die schließlich Chois Arbeit erweiterten, um dies vorzuschlagen, indem sie ein zusammengesetztes Material namens Blei-Apatit (eine Mischung aus Blei-, Phosphor- und Sauerstoffatomen) nahmen und es dotierten Mit Kupfer (wobei ein Teil der Bleiionen innerhalb der Apatitstruktur durch Kupfer ersetzt würde) würde ein Material mit einer interessanten Elektronenbandstruktur entstehen.

Lee und Kim gingen anschließend in die Industrie, wobei Lee ein Unternehmen namens Qcenter gründete und Kim für ein Unternehmen für Batteriematerialien arbeitete, bevor er zu Lee bei Qcenter kam. Im Jahr 2017 starb Choi und drückte damit seinen Wunsch aus, dass seine Schüler den Hochtemperatur-Supraleiter finden, den seine Theorie vorhergesagt hatte. Das mit Kupfer dotierte Blei-Apatit wird jetzt LK-99 genannt. Sie veröffentlichten zwei Artikel, einen von drei Autoren und einen von sechs Autoren, in denen sie behaupteten, dass es supraleitend sei und das berühmte Phänomen der Quantenlevitation zeige.

Und wie es immer der Fall ist, wenn jemand etwas vorbringt, das – wenn es wahr wäre – die Welt wirklich verändern würde, wurde es mit großer Begeisterung aufgenommen, was unsere Hoffnung widerspiegelt, dass wir wollen, dass diese Technologie real und die Wissenschaft robust ist, aber auch Wir haben große Befürchtungen, dass es sich möglicherweise nur um einen weiteren Eintrag in einer langen Reihe vorläufiger, möglicherweise schlampiger Ergebnisse handelt, die einer sorgfältigen Prüfung und Reproduktionsversuchen nicht standhalten.

Da das von ihnen verwendete Material, kupferdotiertes Blei-Apatit, relativ einfach herzustellen ist und der neuartige theoretische Ansatz dem Material zugrunde liegt, haben viele Teams versucht, diese Erkenntnisse zu reproduzieren. Der Open-Source-Charakter von arxiv, dem Preprint-Server, auf den die Artikel hochgeladen wurden, hat dazu geführt, dass alles sofort öffentlich verfügbar ist, ohne auf die Begutachtung durch Fachkollegen warten zu müssen. Die Wikipedia-Seite für LK-99 hat die Replikationsbemühungen verfolgt (und wird dies auch weiterhin tun), und es sind bereits eine Reihe sehr interessanter Ergebnisse zutage getreten.

Aus theoretischer Sicht müssten die vorhergesagten Elektronenbänder tatsächlich vorhanden sein; Diese Behauptung hält einer Überprüfung stand.

Experimentell scheint die Herstellung dieser Proben jedoch überhaupt keine Supraleitung zu ergeben, da mehrere Studien nicht in der Lage waren, das zu reproduzieren, was Lee und Kim behaupteten, sie gesehen zu haben.

Einige der Probleme mit den Lee- und Kim-Studien sind ebenfalls ans Licht gekommen:

Es gibt ein Sprichwort, dass außergewöhnliche Behauptungen außergewöhnliche Beweise erfordern, und es sieht immer mehr so ​​aus, als ob die Arbeit, die Lee und Kim durchgeführt haben, aus theoretischer Sicht solide war, aber schlampig, wenn es um den einzigen wirklich wichtigen Gesichtspunkt geht: den experimentellen eins. Basierend auf dem, was wir bisher gesehen haben, scheint es sich hierbei nicht um einen Betrugsfall wie bei Ranga Dias zu handeln, sondern eher um einen Fall von Wunschdenken und unzureichenden Daten, die uns überwältigen. Auch andere Wissenschaftler haben sich ihrer Meinung zu dieser Forschung angeschlossen und sind ähnlich skeptisch: Es gibt einfach keine Beweise dafür, dass dieses Material überhaupt supraleitend ist, geschweige denn bei Raumtemperatur. Vielmehr ähnelt es eher der Kaltfusionsforschung: Wenn man einige unwahre Annahmen trifft, sollte das Phänomen zwar auftreten, aber die „interessanten“ Vorhersagen, die man macht, entsprechen nicht wirklich dem, was man sich von der Natur erhofft.

Da weitere Replikationsversuche im Gange sind, werden wir bald herausfinden, ob das LK-99-Material:

In der Wissenschaft kann man so viel theoretisieren und berechnen, wie man will, aber am Ende sind es die Experimente, die bestimmen, was real ist und was nicht. Eine einzige positive, robuste Replikation wird alles sein, was nötig ist, um eine neue Ära der Materialwissenschaft einzuleiten und könnte buchstäblich die Welt verändern, aber bis diese Bestätigung eintrifft, ist dies eine außergewöhnliche Behauptung, die vielleicht unsere kollektive Vorstellungskraft beflügelt hat, aber nicht Es erfüllte noch nicht die erforderlichen Standards für „außergewöhnliche Beweise“, damit ein verantwortungsbewusster Wissenschaftler es akzeptieren konnte.

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