LK

Nov 25, 2023

Experten wehren sich weiterhin gegen außergewöhnliche Behauptungen über einen Raumtemperatur-Supraleiter. Aber auch ein Flop könnte der Materialforschung neue Wege eröffnen.

Als südkoreanische Wissenschaftler Ende Juli über einen möglichen Durchbruch bei Supraleitern berichteten, lösten ihre Behauptungen Wellen der Aufregung und Skepsis aus, während Forscher auf der ganzen Welt sich beeilten, die Experimente zu wiederholen.

Ein solcher Supraleiter, der Elektrizität ohne Energieverlust bei Raumtemperatur und normalem Luftdruck überträgt, ist ein heiliger Gral der Materialwissenschaft. Träumer hoffen auf Raumtemperatur-Supraleiter, die die Effizienz unserer Energienetze maximieren und die Fusionsenergieproduktion beschleunigen könnten; den Fortschritt bei Quantencomputern beschleunigen; oder helfen Sie dabei, eine Ära des superschnellen Transports einzuläuten.

In den Wochen seit diesem ersten Bericht drehte sich in der Geschichte des LK-99-Supraleiters jedoch alles um das, was in Laboren vor sich geht – was den Hype ziemlich schnell auf den Boden der Tatsachen brachte. Bemühungen zur Replikation und Bestätigung haben die Skeptiker unterstützt und für mehr Klarheit darüber gesorgt, was LK-99 ist und was nicht.

Am 22. Juli luden die Physiker in Südkorea zwei Artikel auf arXiv hoch, einem Repositorium für Preprint-Forschung – die Art, die noch einem Peer-Review unterzogen und in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht werden muss. Es ist im Grunde so, als würde man einen ersten Entwurf Ihrer Arbeit hochladen. Die Forscher behaupteten, sie hätten den ersten Raumtemperatur-Supraleiter mit einer „modifizierten Blei-Apatit-Struktur“ hergestellt, der mit Kupfer dotiert war und den Namen LK-99 erhielt.

Ein Teil des „Beweises“, den das Team lieferte, war ein Video, das zeigt, wie die Verbindung über einem Magneten schwebt, ein Schlüsselmerkmal supraleitender Materialien.

Die kühnen Behauptungen sorgten bei Experten auf diesem Gebiet für großes Aufsehen.

„Die Chemikalien sind so billig und nicht schwer herzustellen“, sagte Xiaolin Wang, Materialwissenschaftlerin an der Universität Wollongong in Australien. „Deshalb ist es wie eine Atombombe in der Gemeinschaft.“

Aber was in diesem Labor in Südkorea passierte, war nur ein allererster Schritt, um herauszufinden, ob die Ergebnisse irgendwie praktische Auswirkungen auf die Technologie und ihre Rolle in unserem Leben haben könnten. Wir brauchten mehr Daten, und von Anfang an gab es Grund zur Vorsicht.

Ein echter Raumtemperatur-Supraleiter wäre eine große Sache, die viel Aufsehen erregen würde. Moderne Materialien, die wir zur Stromleitung verwenden, wie etwa die Kupferleitungen, die Ihr Zuhause mit Energie versorgen, sind ineffizient. Wenn Elektronen durch den Draht wandern, treffen sie auf die Atome des Materials, wodurch Wärme entsteht und Energie verloren geht. Dies wird als elektrischer Widerstand bezeichnet. Der Grund dafür ist, dass bis zu 10 % des Stroms verschwendet werden, wenn er über Übertragungsleitungen zu den Haushalten gelangt. Auch in unseren elektronischen Geräten kommt es zu Energieverlusten.

Wenn Drähte und Übertragungsleitungen jedoch aus einem supraleitenden Material hergestellt würden, könnten diese Verluste praktisch negiert werden. Die Elektronen bilden Paare, während sie durch das Material wandern, und stoßen nicht so oft auf die Atome, sodass diese frei fließen können.

Supraleitende Materialien gibt es bereits und werden weltweit in verschiedenen Anwendungen, beispielsweise in MRT-Geräten, eingesetzt. Dafür sind jedoch extrem niedrige Temperaturen (nahe dem absoluten Nullpunkt bei etwa minus 459 Grad Fahrenheit) oder extrem hohe Drücke (mehr als das 100.000-fache des Atmosphärendrucks) erforderlich.

Unterdessen baut die Central Japan Railway ein supraleitendes Magnetschwebesystem, um Passagiere zwischen Tokio und Nagoya zu befördern. Der SCMaglev-Zug nutzt Gummiräder, um eine Geschwindigkeit von etwa 93 Meilen pro Stunde zu erreichen, bevor das supraleitende Magnetsystem übernimmt. Es soll Geschwindigkeiten von 311 Meilen pro Stunde erreichen können.

Für den Prozess ist eine supraleitende Niob-Titan-Legierung erforderlich, die mit flüssigem Helium auf minus 452 Grad Fahrenheit gekühlt wird.

Ein Raumtemperatur-Supraleiter wie LK-99 würde dies zu einem weitaus kostengünstigeren Unterfangen machen und bedeuten, dass keine Notwendigkeit besteht, Helium anzusammeln. (Entgegen einigen Befürchtungen in den Medien der letzten Jahre geht uns Helium nicht so schnell aus, aber es wird nur in wenigen Ländern produziert, sodass Versorgungsprobleme zu massiven Preisspitzen führen können.)

Wang und andere Supraleitungsexperten standen dem ursprünglichen LK-99-Experiment von Anfang an skeptisch gegenüber und wiesen auf Inkonsistenzen in den Daten hin. Er sagte, die Ergebnisse sollten nicht überbewertet werden, „bis überzeugendere experimentelle Daten vorliegen“. Sein Team an der University of Wollongong begann mit der Replikation der Ergebnisse, hatte jedoch Probleme mit der Probenherstellung.

In einem am 27. Juli veröffentlichten Interview mit der Zeitschrift Science äußerte sich Michael Norman, ein Physiker am Argonne National Laboratory, unverblümt. Er sagte, dass die südkoreanische Mannschaft „wie echte Amateure rüberkommt“.

Bis Anfang August waren Versuche, dem Rezept zu folgen und die Supraleitung von LK zu bestätigen, größtenteils gescheitert. Die Überwachung der Flut neuer Supraleitungsexperimente durch verschiedene Labore und Einzelpersonen wurde zu einer Art Heimarbeit.

Auf X, dem sozialen Netzwerk, das früher als Twitter bekannt war, war LK-99 tagelang im Trend. Es ging offiziell in das Meme-Territorium über – alle reden von „schwebenden Steinen“ – und löste einige ausgefallene Behauptungen aus, wobei vielen Leuten auffiel, dass sich die Fülle an Konten schnell von der Förderung von KI-Investitionen zu einer plötzlichen Unterstützung von Aktien in Supraleitern wandelte. Die Aktien der American Superconductor Corporation verdoppelten sich unmittelbar nach dem 27. Juli, fielen aber schnell wieder auf ihr früheres Niveau zurück.

Sogar der CEO des ChatGPT-Herstellers OpenAI, Sam Altman, mischte sich ein und scherzte: „Ich liebe diese E-Mails von Personalvermittlern, die nach mehr als zwei Jahren Erfahrung mit lk-99 fragen.“

Die Skepsis gegenüber LK-99 ist begründet. Im Laufe der Jahre haben viele Teams behauptet, Supraleiter bei Raumtemperatur entdeckt zu haben. Die meisten dieser Behauptungen haben einer wissenschaftlichen Prüfung nicht standgehalten.

Beispielsweise veröffentlichte ein Team unter der Leitung von Ranga Dias, einem Physiker an der University of Rochester in New York, im Jahr 2020 in der renommierten Fachzeitschrift Nature Hinweise auf einen Raumtemperatur-Supraleiter. Der Artikel wurde im September 2022 zurückgezogen, nachdem Fragen zur Art und Weise aufgeworfen wurden, wie die Daten im Papier verarbeitet und analysiert wurden. Die Autoren behaupten, dass die Rohdaten ihre Behauptungen stark untermauern, eine Replikation ihres Experiments ist jedoch nicht gelungen.

Was bedeutet LK-99 für Sie? In diesem Moment wahrscheinlich nicht viel, es sei denn, Sie möchten in ein physikalisches Kaninchenloch auf X fallen und in den Moment eintauchen. In naher Zukunft vielleicht auch nicht mehr viel.

Die Nachbildung der LK-99-Experimente hat sich größtenteils als Fehlschlag erwiesen. Zwei Studien, die von zwei verschiedenen Forschungsgruppen durchgeführt und am 31. Juli auf arXiv veröffentlicht wurden, konnten die südkoreanische Forschung nicht reproduzieren. Einige der supraleitenden Eigenschaften des Materials seien von chinesischen Forschern in sehr kleinen Proben beobachtet worden, bemerkte Wang.

Zu diesem Zeitpunkt herrschte große Aufregung und die theoretischen Untersuchungen begannen, die Eigenschaften von LK-99 zu erklären.

Sinéad Griffin, Physiker am Lawrence Berkeley National Laboratory, lieferte mithilfe von Supercomputersimulationen eine Analyse der Fähigkeiten von LK-99. (Griffins Beitrag auf X wurde von einem Meme begleitet, in dem Barack Obama das Mikrofon fallen ließ.) Diese Studie wurde auch als Vorabdruck auf arXiv veröffentlicht.

Physiker, die sich zu Griffins Arbeit äußerten, standen der Mic-Drop-Referenz zynisch gegenüber und waren nicht davon überzeugt, dass sie einen soliden Beweis für Supraleitung lieferte. Griffin selbst präzisierte ihre Ergebnisse in einem X-Thread und sagte, dass sie die Supraleitung im Material weder beweisen noch beweisen würden, sondern interessante strukturelle und elektronische Eigenschaften zeigten, die Gemeinsamkeiten mit Hochtemperatur-Supraleitern (d. h. weit über minus 452 Grad) aufweisen Fahrenheit, aber viel, viel, viel unter Raumtemperatur).

Mitte August zitierte ein Artikel in der Zeitschrift Nature zunehmende Beweise dafür, dass LK-99 kein Supraleiter ist, einschließlich eines Experiments, bei dem die teilweise Levitation mit einem Material reproduziert wurde, das kein Supraleiter ist. Es zitierte Inna Vishik, eine Experimentatorin für kondensierte Materie an der University of California, Davis: „Ich denke, dass die Dinge zu diesem Zeitpunkt ziemlich entschieden geklärt sind.“

Auch wenn LK-99 selbst nicht der heilige Gral ist, könnte es an sich ein interessantes Material sein, das die Möglichkeiten für die Suche nach Raumtemperatur-Supraleitern auf neue, unerwartete Weise eröffnet. Wenn es irgendwie irgendwann zu einem Raumtemperatur-Supraleiter kommen würde, dann könnten sich die Möglichkeiten wirklich eröffnen.

Giuseppe Tettamanzi, Dozent an der Fakultät für Chemieingenieurwesen der Universität Adelaide, weist darauf hin, dass Wissenschaftler schon seit langem darüber nachdenken, die Kupferkabel des Stromnetzes durch supraleitende Kabel zu ersetzen – ein Schalter, der enorme Energieeinsparungen ermöglichen könnte. Er erwähnt auch die Vorteile für Quantencomputer und Transport.

„Der Himmel ist hier die Grenze“, sagte er.

Es ist spannend, Wissenschaft in Aktion zu sehen, und die Leidenschaft für LK-99 war zumindest für mich eine nette Abwechslung zum X-Feed. Aber die Wissenschaft in Aktion braucht Zeit und sollte keine voreiligen Schlussfolgerungen über weltverändernde Auswirkungen ziehen. Deshalb ist die Arbeit der Replikatoren so wichtig.