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Der Supraleiter-Rausch, erklärt.

Die besten Wege finden, Gutes zu tun.

In den letzten Tagen habe ich verzweifelt Twitter-Konten neu geladen, um so viel wie möglich über LK-99 zu erfahren, den angeblich bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck herrschenden Supraleiter, den ein in Südkorea ansässiges Physikerteam angeblich identifiziert hat.

Das ist vielleicht eine Woche, nachdem ich erfahren habe, was ein Supraleiter ist und warum es wichtig ist, dass er Raumtemperatur oder Umgebungsdruck hat. Aber innerhalb weniger Tage verwandelte ich mich von nahezu völliger Unwissenheit in völlige Freude über die Möglichkeiten, die die Technologie verspricht. Vorausgesetzt natürlich, es ist echt.

Auch Sie können diesen Weg von der Unwissenheit zum Schwindel gehen. Die Details zur Herstellung und Untersuchung supraleitender Materialien sind unglaublich komplex, und die entsprechende Arbeit wird von großen Teams von Physikern durchgeführt, die an der Spitze des Fachgebiets arbeiten. Aber die Wissenschaft, warum es wichtig ist, ist im Vergleich dazu relativ einfach.

Supraleitung bei Raumtemperatur öffnet, wenn möglich, die Tür zu atemberaubenden technologischen Durchbrüchen. Dadurch könnte die Stromübertragung deutlich effizienter werden; Dies führt zu schnellerem Laden und höherer Kapazität elektrischer Batterien. praktische kohlenstofffreie Kernfusionsenergie ermöglichen; und Quantencomputing – Computer, die in der Lage sind, Probleme zu lösen, die selbst für die schnellsten existierenden Computer zu komplex sind – in viel größerem Maßstab möglich zu machen.

Ein allgemein nützlicher, einfach herzustellender Supraleiter, der bei normalen Temperaturen betrieben werden kann, wäre ein enormer Durchbruch. Mehrere Kommentatoren haben es mit der Erfindung des Transistors im Jahr 1947 verglichen, einer Technologie, ohne die der jahrzehntelange spätere Fortschritt in der Computertechnik nicht möglich gewesen wäre. Auch wenn LK-99 selbst keinen solchen Durchbruch darstellt, hat seine Entstehung das öffentliche Interesse an der Supraleitung im Allgemeinen wiederbelebt und dient als nützliche Erinnerung daran, wie wertvoll Fortschritte in diesem Bereich sein könnten.

Beginnen wir mit den Grundlagen; Wenn Sie Elektriker sind oder sich mehr über Physik an der High School erinnern als ich, können Sie diesen Teil gerne überspringen. (Entschuldigung, Herr Mehrbach, das habe ich alles vergessen.)

Durch einige Materialien fließt Strom leichter als durch andere. Wenn ein Material Elektrizität leicht leitet, spricht man von einem Leiter; Wenn nicht, ist es ein Isolator. Die meisten Metalle sind ziemlich gute Leiter, und insbesondere Kupfer ist sehr gut, weshalb es so oft für elektrische Leitungen verwendet wird. (Silber ist noch besser, aber viel teurer.) Glas, Kunststoff und Holz sind gute Isolatoren. Ich verwende Begriffe wie „ziemlich gut“ und „sehr gut“, weil es sich bei der Leitfähigkeit um ein Spektrum handelt. Kupfer überträgt elektrische Ladungen nicht perfekt; Es bietet einen gewissen Widerstand, was einen gewissen Stromverlust auf dem Weg bedeutet, aber viel geringer als die meisten Materialien.

Am äußersten Ende des Spektrums befinden sich Supraleiter, die buchstäblich keinen Widerstand und eine perfekte Leitfähigkeit bieten. Dass solche Materialien überhaupt existieren, ist irgendwie wild. Normalleiter werden beim Abkühlen leitfähiger und bei Erwärmung weniger leitend, die Änderung erfolgt jedoch kontinuierlich. Im Gegensatz dazu haben Supraleiter harte Schwellenwerte, die „Übergangstemperaturen“ genannt werden und bei denen ein Material plötzlich zum Supraleiter wird. Darüber hinaus ist die Theorie, warum die meisten Supraleiter funktionieren („BCS-Theorie“, ein Initialismus der Nachnamen der dahinter stehenden Physiker), auffallend einfach und elegant.

„Es ist eine der schönsten Theorien, die man über kondensierte Materie haben kann“, sagte mir Lilia Boeri, Professorin für Physik an der Universität Sapienza in Rom und führende Forscherin auf dem Gebiet der Supraleitung. „Es ist ein bisschen wie Magie. Es funktioniert wunderbar.“

Physiker wissen seit 1911, dass Supraleiter existieren und eine Reihe bestehender Technologien wie MRT-Geräte ohne sie nicht möglich wären. Aber es gab immer einen Haken. Bisher müssen die einzigen bekannten Supraleiter entweder extrem kalt sein (z. B. Blei, Supraleiter bei minus 447 Grad Fahrenheit) oder aus Materialien bestehen, die sich nur bei extrem hohen Drücken bilden. (Ziemlich hoch – in einer äußerst kontroversen Veröffentlichung wurde ein Material vorgeschlagen, das sich bei 10.000-fachem atmosphärischem Druck bildet, etwa dem Zehnfachen des Drucks am Grund des Pazifischen Ozeans, und Skeptiker halten dies für verdächtig niedrig für die Herstellung eines Supraleiters.) Um Dinge extrem kalt zu machen und/oder Tonnen von Druck darauf auszuüben, ist viel Energie erforderlich, was wiederum einen Teil der Vorteile eines Supraleiters zunichte macht.

In manchen Fällen, wie zum Beispiel bei MRTs, lohnt es sich, diese Energie aufzuwenden. MRTs erfordern die Erzeugung von Magnetfeldern, die 30.000-mal stärker sind als die der Erde, um die Kerne von Wasserstoffatomen im menschlichen Körper so zu positionieren, dass sie effektiv abgebildet werden können; Die Verwendung von flüssigem Helium zum Kühlen von Drähten aus einer Niob-Titan-Legierung ist umständlich, macht aber einen solchen Magneten möglich. Für die meisten Zwecke außerhalb von MRTs ist die Herstellung eines Supraleiters jedoch einfach übertrieben.

Ein Supraleiter bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck würde diesen Kompromiss beseitigen. Für die Herstellung eines unglaublich starken Magneten, wie er in MRT-Geräten verwendet wird, wären keine extrem kalten Temperaturen erforderlich. Wenn dieses hypothetische supraleitende Material einfach genug herzustellen wäre, könnten Sie viel leistungsfähigere MRT-Geräte entwickeln, die einen Bruchteil der derzeit verwendeten Energie verbrauchen.

Aber das wäre nur der Anfang.

Die medizinische Bildgebung ist nicht das einzige Geschäft, in dem Menschen auf große, leistungsstarke Magnete angewiesen sind. Supraleiter werden in einigen Arten von Magnetschwebebahnen (Magnetschwebebahnen) verwendet: Züge, die nicht auf Rädern über ein Gleis gefahren werden, sondern über dem Gleis schweben und durch magnetische Kraft angetrieben werden. Ohne physische Reibung durch ein Gleis können Magnetschwebebahnen extrem hohe Geschwindigkeiten erreichen; Eine funktionierende kommerzielle Magnetschwebebahn in Shanghai kann 268 Meilen pro Stunde erreichen, während ein Testsystem für supraleitende Magnetschwebebahn in Japan im Jahr 2015 unglaubliche 373 Meilen pro Stunde erreichte. Supraleitung bei Raumtemperatur könnte die Herstellung und den Betrieb solcher Systeme viel einfacher und kostengünstiger machen.

Außerhalb der Welt der Magnete könnte das Potenzial, Elektrizität verlustfrei über große Entfernungen oder lange Zeiträume zu übertragen, noch transformativer sein. Supraleiter werden bereits in bestimmten begrenzten Anwendungen zur Energiespeicherung eingesetzt. Sie werden ähnlich wie eine Batterie verwendet, funktionieren aber nach einem völlig anderen Mechanismus. Batterien – von einer Duracell AA bis hin zu einer Tesla-Lithium-Ionen-Batterie mit einer Kapazität von etwa 100 kWh – speichern Energie chemisch und können sie in nutzbaren Strom umwandeln. Das bringt zwangsläufig einen gewissen Energieverlust und eine gewisse Ineffizienz mit sich. Im Gegensatz dazu ist der supraleitende magnetische Energiespeicher (SMES) lediglich ein schleifenförmiger supraleitender Draht: ein kreisförmiger Supraleiter, um den sich Elektronen endlos drehen, ohne auf Widerstand zu stoßen. Es handelt sich lediglich um einen elektrischen Strom, der ohne Verluste unbegrenzt weiterströmt und weiterströmt.

Die Fähigkeit dieser Systeme, augenblicklich eine große Menge Strom freizugeben, macht sie als Backup nützlich, wenn es zu einem plötzlichen Stromausfall aus gewöhnlicheren Quellen kommt. Derzeit sind ihre Anwendungen jedoch aufgrund der enormen Energie, die erforderlich ist, um solche Systeme auf einer ausreichend niedrigen Temperatur zu halten, damit Supraleitung entsteht, begrenzt. Wenn Supraleitung jedoch bei normaleren Temperaturen auftreten könnte, könnten SMES-Systeme einen weitaus größeren Nutzen haben, da ihr hohes Maß an Effizienz, Haltbarkeit und Lade-/Entladegeschwindigkeit im Vergleich zu Batterien sehr attraktiv sein könnte, insbesondere für intermittierende erneuerbare Energiequellen, die darauf angewiesen sind Lagerung.

Supraleitung ist auch für viele Kernfusionsreaktorkonstruktionen wichtig. Seit Jahrzehnten versuchen Physiker, Energie zu erzeugen, indem sie Atome zusammenzwingen, den gleichen Prozess, der die Sonne und andere Sterne antreibt, in der Hoffnung, eine kohlenstofffreie Energiequelle zu nutzen, die jedoch sicherer und produktiver als die Kernspaltung ist. Doch obwohl es den Entwicklern der Wasserstoffbombe im Jahr 1952 auf unkontrollierte Weise gelang, muss die Reaktion auf eine kontrollierte Weise, die nutzbaren Strom erzeugen kann, auf irgendeine Weise eingedämmt werden. Eine gängige Theorie ist die Verwendung sehr starker Magnete, und einige Konstruktionen, wie der ITER (ehemals International Thermonuclear Experimental Reactor) in Frankreich, basieren auf Supraleitern, um diese Magnetkraft zu erzeugen.

Das Aufrechterhalten extrem niedriger Temperaturen, damit Supraleiter funktionieren, ist ein großer Energieverlust bei ITER und ähnlichen Konstruktionen, den der Reaktor überwinden muss, um energiepositiv zu sein. Wenn diese Hürde nicht überwunden werden müsste, wäre mehr möglich. Bessere supraleitende Materialien oder solche, die viel weniger Kühlung erfordern, könnten uns Fusionsreaktoren näher bringen, die Nettostrom erzeugen.

Dann gibt es Quantencomputing. Ähnlich wie die Fusion ist Quantencomputing ein seit langem versprochener Durchbruch, der das Versprechen birgt, bestimmte Berechnungen mit viel höherer Geschwindigkeit und Präzision durchzuführen, als es gewöhnliche Computer können. John Preskill, ein führender Physiker, der sich mit Quantencomputern beschäftigt, hat geschrieben: „Wir haben guten Grund zu der Annahme, dass ein Quantencomputer in der Lage wäre, jeden in der Natur vorkommenden Prozess effizient zu simulieren“, was die Entwicklung von Produkten und Systemen effektiver und effizienter machen würde als alles, was heute existiert.

Ein Großteil der jüngsten Fortschritte im Quantencomputing wurde durch Systeme wie den Sycamore-Prozessor von Google vorangetrieben, die für ihre Funktion auf Supraleiter angewiesen sind. Die Notwendigkeit, diese Supraleiter auf extrem niedrige Temperaturen abzukühlen, hat den praktischen Nutzen von Quantencomputern eingeschränkt: Selbst das Hinzufügen eines Kabels, damit Berechnungen von den superkalten Supraleitern übertragen werden können, riskiert, diese zu stark aufzuheizen. Supraleiter bei Raumtemperatur oder praktischer bei Raumtemperatur wären hier eine große Hilfe.

Ein Raumtemperatur-Supraleiter wäre also sehr cool, wenn er real wäre. Das führt zu der offensichtlichen Frage: Ist LK-99, der angebliche Supraleiter, real?

Die kurze Antwort lautet: Ich weiß es nicht und auch sonst niemand. Labore auf der ganzen Welt und manchmal auch einzelne Bastler haben verzweifelt versucht, das Material selbst herzustellen und zu testen, ob es bei hohen Temperaturen tatsächlich supraleitend sein kann, mit bisher gemischten Ergebnissen. Auf den Prognosemärkten gab es stark schwankende Quoten, da die Teilnehmer für und gegen das Ergebnis wetteten.

Alex Kaplan, der tagsüber als Produktleiter für Kaffee bei einem Kaffee-Startup arbeitet, aber einen Bachelor-Abschluss in Physik hat, erlangte kürzlich als Anführer einer Twitter-Bande, die LK-99 verfolgt, einen gewissen Ruhm. Er schildert gut den Verlauf von Emotionen. Zuerst war er aufgeregt. Seine befreundeten Physiker waren begeistert und er startete einen Tweet mit 30 Millionen Aufrufen zum Zeitpunkt dieses Schreibens, in dem er verkündete, dass dies „die größte physikalische Entdeckung meines Lebens“ sein könnte.

Dann häuften sich widersprüchliche Beweise. Die fraglichen Physiker haben tatsächlich zwei Artikel veröffentlicht (beides Preprints, die noch einem Peer-Review unterzogen wurden): einen mit drei Autoren – Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim und Young-Wan Kwon (drei ist übrigens die maximale Anzahl von Personen, die das können). (die einen Nobelpreis für Physik teilen) und dann einen mit sechs. Die Papiere wiesen bemerkenswerte, etwas verdächtige Unterschiede auf. Zwei Co-Autoren, von denen einer nur auf dem Papier mit sechs Autoren aufgeführt war und der zweite auf beiden, teilten den Nachrichtenagenturen mit, dass das Werk ohne ihre Erlaubnis veröffentlicht worden sei. Eine Grafik in der von sechs Autoren verfassten Arbeit zeigte offenbar, dass das Material kein Supraleiter war und tatsächlich bei normalen Temperaturen immer noch einen erheblichen Widerstand aufwies. Dann stellte sich heraus, dass das Team einen separaten Artikel verfasst hatte, der tatsächlich einem Peer-Review unterzogen und vor Monaten in einer koreanischen Fachzeitschrift veröffentlicht wurde. „Die Handlungen waren alle anders“ als in den späteren Aufsätzen, bemerkt Kaplan. „Als ich es sah, dachte ich sofort: ‚Es ist vorbei.‘“

Dann kam es brüllend zurück – irgendwie. Sinéad Griffin, ein hoch angesehener Physiker am Lawrence Berkeley National Laboratory, veröffentlichte eine theoretische Arbeit, in der er über die Ergebnisse eines Computermodells des Materials berichtete. Griffin hat den Aufsatz in einer Woche geschrieben, aber es war der Höhepunkt einer Arbeit, über die sie seit einem Jahrzehnt oder länger nachgedacht hat. „Ich hatte vor zehn Jahren einen Aufsatz über etwas Ähnliches“, erzählte sie mir. „Ich wusste sofort, was daran interessant ist.“

Das auffälligste Ergebnis war die kleine gelbe Linie in der Mitte der rechten Grafik unten:

Ergebnis 2: Die elektronische Struktur von Cu auf Pb(1) weist isolierte flache Bänder auf dem Fermi-Niveau auf. Diese sind eine direkte Folge der Strukturverzerrung! Wenn ich die Bänder ohne Verzerrung berechne, sind sie nicht isoliert. Wenn ich die Verzerrung mit einbeziehe, sind sie es! pic.twitter.com/XDgluxPfef

Diese flache gelbe Linie wird passenderweise als „flaches Band“ bezeichnet. Diagramme wie die oben genannten werden aus offensichtlichen Gründen „Spaghetti-Diagramme“ genannt und sie dienen als „Karte dessen, was die Elektronen in Ihrem Material tun dürfen“, sagte mir Griffin. „Normalerweise gibt es in einem normalen Spaghetti-Diagramm viele Hügel und Täler. Die Atome liegen nahe beieinander und interagieren miteinander.“

Wenn es keine Hügel und Täler gibt, bedeutet das, dass die Atome nicht viel interagieren. „Es ist seltsam, in einem Material zu sehen: Die Atome sind nahe beieinander, es gibt in der Regel keine flachen Bänder“, fuhr Griffin fort. „Die daraus resultierende Physik ist, dass viele Elektronen in denselben Bereich gedrückt werden.“ Diese Elektronen interagieren dann miteinander. Eines der seltsamen Ergebnisse dieser Wechselwirkung kann Supraleitung sein.

Einige Beobachter stürzten sich auf Griffins Artikel und darauffolgende Modellierungsstudien als Beweis dafür, dass LK-99 tatsächlich ein Supraleiter ist, aber Griffin selbst ist viel vorsichtiger. Supraleitung ist eines der Dinge, zu denen eine Struktur wie diese möglicherweise in der Lage ist, aber nicht das Einzige: Flache Bänder werden manchmal mit einem „Metall/Isolator-Übergang“ in Verbindung gebracht, bei dem ein Material von einem elektrisch leitenden zu einem Isolator wird, der nicht mehr leitend ist. Ich verhalte mich überhaupt nicht. Mit anderen Worten, das genaue Gegenteil eines Supraleiters.

Der nächste Schritt für sie besteht darin, fortgeschrittenere Modellierungstechniken zu verwenden, um herauszufinden, was die flachen Bänder und andere seltsame Merkmale des Materials bedeuten. „Die Methode, die ich verwendet habe, ist ein guter erster Schritt, aber sie hat ihre Grenzen“, erklärt sie.

Inzwischen versuchen Physiker und Ingenieure auf der ganzen Welt, das Material selbst herzustellen. Andrew McCalip, Ingenieur beim kommerziellen Raumfahrtunternehmen Varda Space Industries, hat seinen Versuch live getwittert, der in der Schaffung eines Felsens gipfelte, der schwimmt, wenn er auf einen Magneten gelegt wird. Dieses Verhalten, das die Autoren des ursprünglichen LK-99-Artikels auch für ihre Probe behaupteten, könnte ein Beweis für den Meissner-Effekt sein, der mit Supraleitung verbunden ist. Es könnte aber auch das Ergebnis einer Reihe anderer magnetischer Reaktionen sein.

Forscher der Huazhong University of Science and Technology berichteten über das gleiche Ergebnis, ebenso wie Iris Alexandra, eine pseudonyme Twitter-Nutzerin mit einem Anime-Avatar, die angibt, eine in Russland ansässige Bodenforscherin zu sein. (Ich persönlich finde das Huazhong-Team hier am überzeugendsten, aber meine Anerkennung muss dem Otaku gezollt werden, der zuerst dort war.)

Es ist wirklich schwer zu wissen, was man von diesen bisherigen Versuchen halten soll. Aus der Ferne ist es unmöglich zu wissen, ob die Materialien, die diese Teams analysieren, mit den Materialien identisch sind, die das ursprüngliche LK-99-Team erstellt hat, oder Analysen dieser Materialien unabhängig zu überprüfen. Darüber hinaus gibt es bisher keine schlüssigen Beweise dafür, dass das Material einen spezifischen Widerstand von Null aufweist, was wir nachweisen müssten, um zu wissen, dass es sich um einen Supraleiter handelt.

„Ich weiß nicht, warum dieser Bericht so viel [Aufmerksamkeit] erregte“, sagt Boeri, der italienische Physiker. „Es gibt immer wiederkehrende Berichte [wie diesen]. Das ist völlig seltsam, eine Art virale Geschichte.“

Sie befürchtet, dass dies von anderen Forschungsbemühungen im Bereich der Supraleitung ablenken könnte, beispielsweise denen mit Hydriden: Materialien, die Wasserstoff und andere Elemente kombinieren, die sich im Fall der Supraleitung bisher nur unter starkem Druck bilden. Eine Hoffnung besteht darin, dass einige Materialien, die sich unter einem solchen Druck bilden können, lebensfähig und supraleitend bleiben, wenn sie auf normalere Temperaturen gebracht werden. „Man kann sich vorstellen, das maßstabsgetreu umzusetzen“, sagt Boeri. „Die Materialien, die Sie auf diese Weise herstellen, unterscheiden sich von Materialien, die Sie bei Umgebungsdruck haben.“

Die Behauptungen zu LK-99 sind außergewöhnlich, und wir wissen, was außergewöhnliche Behauptungen erfordern. Die Physiker, mit denen ich gesprochen habe, sahen aufgrund der bisher vorgelegten Beweise keinen Grund zu der Annahme, dass es sich um einen Supraleiter handelt. Aber selbst wenn es LK-99 nicht gelingt, sich als Supraleiter zu reproduzieren, ist der aktuelle Trubel eine gute Erinnerung daran, wie nützlich bessere Hochtemperatur-Supraleiter sein könnten. Boeri weist darauf hin, dass man für viele Anwendungen nicht einmal solche mit „Raumtemperatur“ benötigt: Wenn ein Supraleiter nur mit flüssigem Stickstoff und nicht mit flüssigem Helium gekühlt werden muss, ist das ein großer Vorteil und spart Energie. Bestehende „Hochtemperatur“-Supraleiter bestehen diesen Test, sind aber für die meisten praktischen Anwendungen viel zu spröde.

Vielleicht ist das Beste, was man aus der LK-99-Wut herausholen kann, eine erneute Investition und die Konzentration auf den Versuch, praxistauglichere Supraleiter bei höheren Temperaturen zu entwickeln. Der Gewinner ist möglicherweise nicht LK-99. Aber es könnte schon ein Material mit ähnlich magischen Eigenschaften geben.

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