Wissenschaftler haben einen neuen Supraleiter bei Raumtemperatur entdeckt

Diese Woche kündigten Wissenschaftler einen aufregenden Fortschritt in Richtung des Traums von einem Material an, das Elektrizität unter alltäglichen Bedingungen problemlos leiten kann. Ein Durchbruch wie dieser könnte fast jede Technologie verändern, die elektrische Energie verwendet, und neue Möglichkeiten für Ihr Telefon, Magnetzüge und zukünftige Energiefusionsstationen eröffnen.

Normalerweise trifft der Stromfluss auf Widerstand, wenn er sich durch die Drähte bewegt, fast wie eine Form von Reibung, und ein Teil der Energie geht als Wärme verloren. Vor einem Jahrhundert entdeckten Physiker Materialien, die heute Supraleiter genannt werden, in denen der elektrische Widerstand scheinbar auf magische Weise verschwand. Diese Materialien verloren jedoch erst bei sehr kalten Temperaturen ihre Widerstandsfähigkeit, was die praktischen Anwendungen einschränkte. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach Supraleitern, die bei Raumtemperatur funktionieren.

Die Ankündigung dieser Woche ist der jüngste Versuch in diesem Bemühen, aber sie kommt von einem Team, das mit weit verbreiteter Skepsis konfrontiert ist, weil ein Papier aus dem Jahr 2020, in dem ein supraleitendes Material als vielversprechend, aber weniger praktisch beschrieben wird, war. zurückziehen Nachdem andere Wissenschaftler einige der Daten in Frage gestellt hatten.

Der neue Supraleiter besteht aus Lutetium, einem Seltenerdmetall, und Wasserstoff, dem etwas Stickstoff beigemischt ist. Es benötigt einen Druck von 14.500 psi, bevor es seine supraleitenden Fähigkeiten erlangt. Das ist etwa das Zehnfache des Drucks, der am Grund der tiefsten Meeresgräben ausgeübt wird.

Aber es ist auch weniger als ein Hundertstel dessen, was das Ergebnis von 2020 erforderte, was den Bruchkräften ähnelte, die mehrere tausend Meilen tief im Inneren der Erde gefunden wurden. Dies weist darauf hin, dass weitere Untersuchungen des Materials zu einem Supraleiter führen könnten, der bei Raumtemperatur und dem typischen atmosphärischen Druck von 14,7 psi arbeitet.

„Dies ist der Beginn einer neuen Art von Material, das für praktische Anwendungen nützlich ist“, sagte Ranga P. Dias, Professor für Maschinenbau und Physik an der Universität von Rochester in New York, am Dienstag vor einem Raum voller Wissenschaftler. Bei einem Treffen der American Physical Society in Las Vegas.

Es war eine vollständige Abrechnung der Ergebnisse seines Teams Veröffentlicht am Mittwoch in Naturedas ist dieselbe Zeitschrift, die die Ergebnisse für 2020 veröffentlicht und dann zurückgezogen hat.

Das Team in Rochester begann mit winzigen, dünnen Flocken aus Lutetium, einem silbrig-weißen Metall, das zu den seltensten der Seltenerdelemente gehört, und komprimierte es zwischen zwei ineinandergreifenden Diamanten. Dann wurde ein Gas aus 99 Prozent Wasserstoff und 1 Prozent Stickstoff in die kleine Kammer gepumpt und auf hohen Druck komprimiert. Die Probe wurde über Nacht auf 150 Grad Fahrenheit erhitzt und nach 24 Stunden wurde der Druck abgelassen.

In etwa einem Drittel der Fälle brachte der Prozess das gewünschte Ergebnis: einen winzigen, strahlend blauen Kristall. „Es ist nicht so einfach, den Stickstoff in Lutetiumhydrid zu bringen“, sagte Dr. Dias.

In einem Laborraum der University of Rochester, der von der Gruppe von Dr. Dias genutzt wird, demonstrierte die Doktorandin Hiranya Basan während des Besuchs eines Reporters letzte Woche die überraschenden variablen Eigenschaften von Materialien. Als die Schrauben angezogen wurden, um den Druck zu erhöhen, wurde das Blau rot.

„Es ist sehr rosa“, sagte Dr. Dias. Bei höherem Druck, sagte er, „wird es knallrot.“

Das Leuchten eines Lasers durch die Kristalle zeigte, wie sie vibrieren, und entschlüsselte Informationen über die Struktur.

In einem anderen Raum führten andere Mitglieder des Teams von Dr. Dias magnetische Messungen an anderen Kristallen durch. Als die Temperaturen fielen, erschienen die projizierten Gnome in den auf dem Computerbildschirm aufgezeichneten Daten und zeigten den Übergang zu einem Supraleiter an.

„Das ist eine direkte Messung, die wir jetzt machen“, sagte Dr. Dias.

In dem Papier berichten die Forscher, dass die rosafarbenen Kristalle bei Temperaturen von bis zu 70 Grad Fahrenheit Schlüsseleigenschaften von Supraleitern aufwiesen, wie z. B. einen Nullwiderstand.

„Ich bin vorsichtig optimistisch“, sagte Timothy Strobel, ein Wissenschaftler an der Carnegie Institution for Science in Washington, der nicht an der Studie von Dr. Dias beteiligt war. „Die Daten in der Zeitung sehen toll aus.“

„Wenn das stimmt, ist es ein wirklich, wirklich wichtiger Durchbruch“, sagte Paul CW Chu, Physikprofessor an der University of Houston, der ebenfalls nicht an der Forschung beteiligt war.

Der „wenn“-Teil dieses Gefühls dreht sich jedoch um Dr. Dias, der von Skepsis, Kritik und sogar Anschuldigungen einiger Wissenschaftler verfolgt wird, dass er einige seiner Daten erfunden hat. Die Ergebnisse des Nature-Papiers von 2020 wurden von anderen Forschungsgruppen nicht reproduziert, und Kritiker sagen, Dr. Dias habe es nur langsam geschafft, anderen zu erlauben, seine Daten zu untersuchen oder unabhängige Analysen seiner Supraleiter durchzuführen.

Die Nature-Herausgeber zogen letztes Jahr das vorherige Papier wegen der Einwände von Dr. Dias und den anderen Autoren zurück.

„Ich habe etwas Vertrauen in das verloren, was von dieser Gruppe kommt“, sagte James Hamlin, Physikprofessor an der University of Florida.

Das neue Papier hat jedoch den Peer-Review-Prozess in derselben Zeitschrift bestanden.

Eine Sprecherin von Nature sagte: „Der Rückzug einer Forschungsarbeit disqualifiziert den Autor nicht automatisch von der Einreichung neuer Manuskripte.“ „Alle eingereichten Manuskripte werden unabhängig auf der Grundlage der Qualität und Aktualität ihres Wissens geprüft.“

Bei der Konferenz am Dienstag in Las Vegas drängten sich so viele Physiker in einem beengten Konferenzraum, dass ein Moderator einige bat zu gehen, damit sie die Präsentation nicht absagen müssten. Nachdem der Raum ausgedünnt war, konnte Dr. Dias seine Erkenntnisse ungestört präsentieren. Als er sich bei der Menge bedankte, beklagte der Moderator, dass sie keine Zeit mehr hätten, um Fragen zu stellen.

Dr. Strobel erkannte die anhaltende Kontroverse um Dr. Dias und die früheren ungewöhnlichen Behauptungen an, die noch reproduziert werden müssen.

„Ich möchte nicht zu viel hineininterpretieren, aber es könnte hier ein Verhaltensmuster geben“, sagte Dr. Strobel. „Er könnte wirklich der beste Überdruckphysiker der Welt sein, kurz davor, einen Nobelpreis zu gewinnen. Oder es passiert etwas anderes.“

unter Druck

Die Supraleitung wurde 1911 von der niederländischen Physikerin Heike Kamerlingh Onnes und seinem Team entdeckt. Supraleiter transportieren nicht nur Elektrizität ohne elektrischen Widerstand, sondern besitzen auch eine seltsame Fähigkeit, die als Meissner-Effekt bekannt ist und dafür sorgt, dass kein Magnetfeld im Inneren eines Materials vorhanden ist. .

Die ersten bekannten Supraleiter erforderten Temperaturen von wenigen über dem absoluten Nullpunkt oder minus 459,67 Grad Fahrenheit. In den 1980er Jahren entdeckten Physiker sogenannte Hochtemperatur-Supraleiter, aber selbst diese Supraleiter werden unter Bedingungen viel kühler als denen, denen wir im täglichen Gebrauch begegnen.

Die Standardtheorie zur Erklärung der Supraleitung sagt voraus, dass Wasserstoff bei höheren Temperaturen supraleitend sein sollte, wenn er stark genug komprimiert werden kann. Aber selbst der widerstandsfähigste Diamant bricht, bevor er Belastungen dieser Größenordnung erreichen kann. Wissenschaftler begannen, sich mit Wasserstoff gemischt mit einem anderen Element zu befassen, da sie dachten, dass chemische Bindungen dabei helfen könnten, die Wasserstoffatome zu komprimieren.

Im Jahr 2015 berichtete Mikhail Eremets, Physiker am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz, Deutschland, dass sich Schwefelwasserstoff – ein Molekül, das aus zwei Wasserstoffatomen und einem Schwefelatom besteht – bei 34 Grad Fahrenheit unter Druck in einen Supraleiter umwandelt, wenn es komprimiert wird etwa 22 Mio. Pfund pro Quadratzoll. Das war damals eine Rekordtemperatur für einen Supraleiter.

Dr. Eremets und andere Wissenschaftler entdeckten später, dass Lanthanhydrid – eine Verbindung, die Wasserstoff und Lanthan enthält – unter sehr hohen Drücken eine Supraleitungstemperatur von weniger als 10 Grad Fahrenheit erreichte.

In der im zurückgezogenen Papier von 2020 beschriebenen Forschung verwendete die Gruppe von Dr. Dias Wasserstoff, Schwefel und Kohlenstoff. Die Wissenschaftler sagten, dass sie durch drei Elemente in der Lage waren, die elektronischen Eigenschaften der Verbindung anzupassen, um eine Hochtemperatur-Supraleitung zu erreichen.

Allerdings glaubten nicht alle daran.

Dr. Dias‘ Hauptgegner ist Jorge Hirsch, ein theoretischer Physiker an der University of California, San Diego. Er konzentrierte sich auf Messungen der Gruppe von Dr. Dias zur Reaktion einer Verbindung aus Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff auf schwankende Magnetfelder, was ein Beweis für den Meissner-Effekt ist. Der Plot in der Zeitung sah sehr sauber aus, und die Wissenschaftler erklärten nicht, wie sie Hintergrundeinflüsse in dem Plot ausschlossen.

Als Dr. Dias die zugrunde liegenden Rohdaten veröffentlichte, sagte Dr. Hirsch, deutete seine Analyse darauf hin, dass sie durch eine mathematische Formel generiert worden seien und nicht tatsächlich in einem Experiment gemessen werden könnten. „Mit Analogie erhält man keine analytischen Formeln“, sagte Dr. Hirsch. „Du bekommst Zahlen mit Rauschen.“

Seine Beschwerden über Dr. Dias wurden so hartnäckig und intensiv, dass andere in der Branche einen Brief in Umlauf brachten, in dem sie sich über das jahrzehntelange störende Verhalten von Dr. Hirsch beschwerten.

Dr. Hirsch ist ein Schausteller im Porzellanladen, der sich die BCS-Theorie zum Ziel gesetzt hat, die 1957 von drei Physikern – John Bardeen, Leon N. Cooper und J. Robert Shriver – entwickelt wurde, um zu erklären, wie Supraleitung funktioniert. In vielerlei Hinsicht, sagt er, sei BCS eine „Lüge“, die den Meissner-Effekt nicht erklären könne. Er fand seine eigene alternative Erklärung.

Insbesondere sagte Dr. Hirsch, dass es in keinem dieser Hochdruckmaterialien Supraleitung geben kann, weil Wasserstoff kein Supraleiter sein kann. Er hat wenige Verbündete gewonnen.

Während Dr. Hirsch darauf bedacht ist zu sagen, dass andere Wissenschaftler als Dr. Dias kein Fehlverhalten begehen, sagt er, dass sie sich selbst etwas vormachen.

„Meiner Meinung nach werden Fetzen zu Schlussfolgerungen“, sagte er.

Widerstand und Fortpflanzung

Dr. Hamlin von der University of Florida befasste sich ebenfalls mit den magnetischen Messungen und sagte, es sehe so aus, als ob die Rohdaten aus veröffentlichten Daten stammen und nicht umgekehrt.

Beunruhigt stellte Dr. Hamlin auch fest, dass mehrere Passagen aus seiner Doktorarbeit, die er 2007 verfasste, wörtlich in der Dissertation von Dr. Dias auftauchten.

D lehnt ab. Dias kritisierte weiter und sagte, seine Gruppe habe Erklärungen geliefert. „Es fühlte sich einfach wie Hintergrundgeräusche an“, sagte er. „Wir versuchen, unsere Wissenschaft weiter voranzubringen.“

Er sagte, er stehe immer noch zu den früheren Ergebnissen und dass die Mittwochszeitung eine neue Technik für die magnetischen Messungen verwendet habe. Er sagte, das Papier habe fünf Prüfrunden von Gutachtern durchlaufen und alle Rohdaten hinter den Ergebnissen seien geteilt worden.

„Es ist wieder zurück in der Natur“, sagte Dr. Dias. „Das sagt dir also etwas.“

Nach zwei universitären Untersuchungen sagte Sarah Miller, eine Sprecherin der University of Rochester: „Es wurde festgestellt, dass es keine Beweise gibt, die diese Bedenken stützen.“ Weiter hieß es, die Universität habe „die Frage des Rückzugs des Nature-Papiers im September 2022 in Betracht gezogen und sei zum gleichen Schluss gekommen“.

Bezüglich einer Abschrift von Dr. Hamlins Doktorarbeit sagte Dr. Dias, er hätte Zitate hinzufügen sollen. „Es war meine Schuld“, sagte Dr. Dias.

Wiederholen Sie die Prepress-Messungen von Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff des zurückgezogenen Papiers von 2020 kursiert jetzt, aber selbst das wirft Fragen auf. „Sie weichen stark von den Originalmessungen ab“, sagt Dr. Strobel. „Man könnte argumentieren, dass sie die Ergebnisse nicht selbst reproduziert haben.“

Da das neue Material auf Lutetiumbasis bei viel niedrigeren Drücken supraleitend ist, werden viele andere Forschungsgruppen versuchen können, das Experiment zu reproduzieren. Dr. Dias sagte, er wolle ein genaueres Rezept für die Herstellung der Verbindung und den Austausch von Proben bereitstellen, aber zuerst müssten Fragen des geistigen Eigentums gelöst werden. Er hat eine Firma namens Unearthly Materials gegründet, die Forschung in Profit umwandeln will.

Dr. Strobel sagte, er werde mit der Arbeit beginnen, sobald er von der Konferenz in Las Vegas zurückkehre. „Wir könnten buchstäblich innerhalb eines Tages ein Ergebnis erhalten“, sagte er.

Dr. Hirsch sagte auch, er erwarte schnelle Antworten. „Wenn das stimmt“, sagte er, „beweist es, dass meine Arbeit der letzten 35 Jahre falsch war.“ „Worüber ich mich sehr freuen würde, weil ich es wüsste.“

Dr. Hirsch fügte hinzu: „Aber ich denke, ich habe Recht und es ist falsch.“

Kimberly McGee Beigesteuerte Berichterstattung aus Las Vegas.