[ziesell]

Forschung: Dieser Supraleiter funktioniert ohne Kühlung und Druck

Eine kleine Manipulation macht ein Material namens LK-99 supraleitend. Forscher aus Südkorea wissen nun, warum.



Ein bei Arxiv veröffentlichtes Paper (PDF) macht große Versprechungen: Die veröffentlichenden Forscher beschreiben ein Material, das bei Raumtemperatur und Normaldruck supraleitend ist – quasi der heilige Gral der Physik. Bekannt ist das Material allerdings schon länger: Es trägt den Namen LK-99, benannt nach den Forschern Lee und Kim, die es 1999 entdeckten. Im Paper beschreiben die Forscher des Quantum Energy Research Centre in Südkorea die Effekte, die LK-99 supraleitend machen.

Im Gegensatz zu anderen Supraleitern sei LK-99, so die Forscher, nicht durch Elektron-Phonon-Kopplung zu erklären. Vielmehr bildeten sich sogenannte Quantentöpfe (Quantum Wells), welche die Beweglichkeit von Elektronen einschränken. Die bewegten sich dann, so die Forscher, widerstandsfrei, indem sie zwischen den Töpfen tunneln.

Da die Struktur eines Materials seine Eigenschaften bestimme, gingen die Forscher davon aus, dass das Auftreten von Supraleitung auf Strukturänderungen des Materials beruhe – die sowohl als Folge von Druck als auch durch Abkühlen erreicht werden können. Um beides überflüssig zu machen, müsste ein Material also nur die passende Kristallstruktur haben.

LK-99 erzeugt den Druck selbst

Und genau das soll bei LK-99 der Fall sein. Chemisch handelt es sich bei LK-99 um Blei-Apatit, eine Verbindung aus Blei und Phosphat. Die Bleiatome bilden dabei eine innere und eine äußere Säule, die durch das Phosphat getrennt sind.

Bei LK-99 ersetzt Kupfer einige der Bleiatome der äußeren Säule, in den Proben der Forscher weicht jedes zehnte Bleiatom einem Kupferatom. Die Kupferatome haben einen geringeren Radius, was zu Spannungen im Kristallgitter führt. Das Volumen von LK-99 ist daher um 0,48 Prozent geringer als das reinen Blei-Apatits. Die Spannungen verändern zudem die Kristallstruktur, was zur Ausbildung der Quantentöpfe führe.

Ihre Erklärung untermauern die Forscher mit einer Reihe von Messungen. Mittels Röntgenbeugung und Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersuchten sie den Kristallaufbau, mit Elektronenspinresonanzspektroskopie fanden sie den vermuteten Quantentopf. Auch den für Supraleiter charakteristischen Meißner-Ochsenfeld-Effekt wollen die Forscher nachgewiesen haben.

Bevor wir allerdings den Durchbruch im Bereich der Supraleiter feiern, lohnt es, erst auf eine unabhängige Bestätigung anderer Forscher zu warten. Auch LK-99 ist mit wirtschaftlichen Interessen verbunden, gegen einen anderen Forscher werden beharrlich Manipulationsvorwürfe erhoben. Sollten andere Gruppen zum selben Ergebnis kommen, wäre LK-99 allerdings sehr vielversprechend: Die Forscher gehen anhand ihrer Daten davon aus, dass es noch bei über 400 Kelvin (127° C) supraleitend ist. Ein Video bei Sciencecast zeigt, wie eine Probe von LK-99 über einem Magneten schwebt.

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[ Link nur für registrierte Mitglieder sichtbar. Bitte einloggen oder neu registrieren ] 26.07.2023

Leserbrief zu dem Supraleiter-Preprint-Paper:

ich arbeite in dem Feld und wir haben den Preprint heute morgen ein wenig in der Forschungsgruppe diskutiert. Kurz zusammen gefasst, wir glauben kein Wort davon:

Fig. 1(a) und (c) sind unglaubwürdig. Normalerweise sieht sowas so aus. Man beachte den graduellen Anstieg bei niedrigen Strömen, dieser Effekt ist vor allem bei Magnetfelder zu erwarten.

Auch Fig. 1(d) kann nicht stimmen. Bei Tc ~ 400K würde der Meissner-Effekt ein wesentlich stärkeres Feld als 10 Oe = 1 mT verdrängen. D.h. die Unterscheidung zwischen FC (field cooled) und ZFC (zero-field cooled) dürfte nicht so ausgeprägt sein. Das müsste eher so aussehen.

Was die Autoren vielleicht meinen, ist dass sie außerhalb des Meissner-Bereichs liegen, das kann bei höheren Magnetfelder auftreten (Stichwort: Type II Supraleiter). Das sieht dann so aus.

In diesem Fall stimmt aber die Temperaturabhängigkeit überhaupt nicht mit den kritischen Strömen von Fig. 1(a) und (c) überein.

Und auch, dass ALLE Werte in Fig. 1(d) negativ sind, ist äußerst ungewöhnlich, das könnte man aber vielleicht verargumentieren.

Der Datensatz in Fig. 4(b) ist auch ein Schmankerl. Es ist schon SEHR ungewöhnlich, wenn bei hohen Temperaturen die Wärmekapazität (Heat capacity) wieder abnimmt. Das kann bei tiefen Temperaturen passieren, bei hohen aber eher nicht.

Ich kenne den beschriebenen Versuchsaufbau / den Kryostaten sehr gut. Es besteht kein vernünftiger Grund, warum die Autoren nicht bei höheren Temperaturen gemessen haben, um zu zeigen, dass das Verhalten oberhalb von Tc ~ 400K deutlich anders ist. Z.B. eine Temperaturabhängigkeit des Widerstands wäre zwingend nötig gewesen.

Allgemein ist das Paper sehr schlecht geschrieben. Die Daten sind nicht ausreichend diskutiert, die Erklärungen sind dürftig, und die zitierten Arbeiten eher, sagen wir, mager. Das erweckt nicht gerade Vertrauen darin, was die Autoren da gemessen haben und gesehen haben wollen.

Meine persönliche Vermutung ist, dass die Autoren einen Isolator gemessen haben, entsprechend kein Strom floss, und damit auch keine Spannung auftrat (4-Punkt Messung). Dann sieht das aus, wie ein Supraleiter. Wenn man dann aber den Strom hochdreht (also die angelegte Spannung), kann es eventuell zu Durchschlägen kommen und ein Strom beginnt zu fließen. Das würde den sprunghaften Anstieg erklären.

Ihr glaubt ja gar nicht, was mir das für eine Freude ist, zu irgendwelchen komplizierten Fachthemen immer einen Experten in der Leserschaft zu haben, der mir Dinge erklären kann. In diesem Fall Gruß und Dank an das Max-Planck-Institut für Festkörperforschung.

Tja. Schade. Aber ist ja leider häufiger so. Wenn es zu gut um wahr zu sein aussieht, ist es wahrscheinlich auch nicht wahr.