Ist LK-99 doch ein Supraleiter? Neue Forschungsergebnisse und ein aktualisiertes Patent bestätigen dies.
Zu diesem Zeitpunkt scheint nicht einmal die wissenschaftliche Gemeinschaft davon zu wissen.
Anfang dieses Monats machte die Wissenschaftsgemeinde mit der Nachricht von einem möglichen Durchbruch von sich reden: eine Substanz namens LK-99, die angeblich ein Supraleiter bei Raumtemperatur ist. Das von Lee Sukbae und Kim Ji-Hoon von der koreanischen Universität entdeckte Material würde alles verändern, von der Energieversorgung bis hin zu Supercomputern, wenn es wie angekündigt funktioniert. Nachdem jedoch eine Reihe von Wissenschaftlern versucht hat, die Entdeckungen von Lee und Kim zu reproduzieren, und dabei gescheitert ist, scheint die Welt weiter zu sein.
Aber das Gebiet der Supraleiter ist ein sich schnell veränderndes Gebiet. Neu veröffentlichte theoretische Forschungsarbeiten, die noch nicht im Druck sind, sprechen im Allgemeinen dafür, dass LK-99 die für einen Supraleiter erforderlichen Eigenschaften besitzt; und jetzt haben Internetspürnasen eine Aktualisierung des ursprünglichen LK-99-Patents in koreanischer Sprache entdeckt. Dieses Dokument enthält weitere Details (und auch neue Fragen) zum Syntheseprozess, während die koreanischen Originalautoren die Bedeutung (und Wahrhaftigkeit) ihrer Entdeckung bekräftigen.
Leider haben wir immer noch ein unvollständiges Bild von LK-99 – eines, das anscheinend viel mehr Aufwand erfordert, um es zu verstehen, als einige uns glauben machen wollen. Aber das Papier enthält das, was wir brauchen: ein Diagramm, das den spezifischen Widerstand von LK-99 aufzeichnet. Entscheidend ist, dass die Grafik besagt, dass er auf Null sinkt.
Das obige Diagramm zeigt, was im Allgemeinen von einem Supraleiter zu erwarten ist: eine abfallende Widerstandsklippe um eine kritische Phasenübergangstemperatur (Tc). Natürlich sind Diagramme leicht zu zeichnen; schwieriger ist es, die Ergebnisse zu reproduzieren, die zu ihnen führen sollten. (Bildnachweis: Lee Sukbae et al)
Beginnen wir mit dem aktualisierten Patent selbst, in dem zwei Techniken zur Synthese der relevanten, supraleitenden Bits in LK-99 beschrieben werden. Eine dieser Techniken ist uns bereits bekannt: Die Festkörpersynthese ist das Verfahren, das wir im Internet verfolgt haben und das von den meisten Wissenschaftlern verwendet wird, die versuchen, das wirklich schlechte Rezept des Originalpapiers zu replizieren. Bei diesem Verfahren werden die verschiedenen Verbindungen von LK-99 zur Reaktion gebracht, um eine kristallähnliche Endverbindung aus kupferdotiertem Bleiapatit zu erhalten (eine Mischung aus Lanarkit und Kupferphosphid, also Verbindungen, die durch die Reaktion von Bleioxid mit Bleisulfid bzw. von Kupfer mit Phosphor entstehen).
Es gab bereits eine Reihe von Problemen mit der eigentlichen Rezeptur, aber das aktualisierte Patent wirft noch einen weiteren Schraubenschlüssel in die Gleichung, da plötzlich Si (das Silizium, das wir kennen und lieben) in der Mischung enthalten ist. Es ist auch unklar, wie das Silizium dorthin gekommen ist und welche Bedeutung es für die Supraleitung selbst hat (wenn es dafür überhaupt von Bedeutung ist, was derzeit nicht der Fall zu sein scheint). Es scheint ein Muster zu geben, bei dem das ursprüngliche koreanische Team unter der Leitung von Lee Sukbae nicht in der Lage ist, eine gute Dokumentation zu liefern. Fairerweise muss man sagen, dass es auch möglich ist, dass entscheidende Details einfach in den Eingeweiden der maschinellen Übersetzung oder in der Geschwindigkeit, mit der sie scheinbar alles zusammengefügt haben, verloren gegangen sind.
Gleichzeitig räumen die Autoren ein, dass die resultierende Blei-Apatit-Verbindung in der Regel ein Isolator ist (was verhindert, dass elektrischer Strom durch sie fließt, also genau das Gegenteil von dem, was wir hier erreichen wollen). Aber sie wiederholen auch, dass die Kupferdotierung – die dazu führt, dass die Bleiatome in LK-99 durch Kupferatome ersetzt werden – der Schlüssel zur Erlangung der behaupteten Supraleitfähigkeit ist (Sauerstoffatome sind anscheinend auch wichtig). Wir haben diese Möglichkeit hier bereits ausführlicher behandelt, ebenso wie das Problem der Ausbeute (der Anteil des supraleitenden Materials, der durch den Syntheseprozess hergestellt wird). Laut dem aktualisierten Patent hat Lees Team Proben mit einem Verhältnis von 48,9 % supraleitendem Bleiapatit, 40 % nicht-supraleitenden Bleiverbindungen und 11,1 % Kupferverbindungen gefunden.
Diese Koexistenz von supraleitenden und nicht-supraleitenden Verbindungen könnte der Grund dafür sein, dass in bestimmten Internetvideos von LK-99 (sofern es sich um echtes LK-99 handelt) ein Phänomen namens Flux Pinning gezeigt wird, bei dem externe Magnetfelder in der Lage sind, die supraleitende Verbindung durch die nicht supraleitenden Teile (alles, was nicht Blei-Apatit ist) zu durchdringen und sie an Ort und Stelle zu fixieren.
Aber es scheint, dass Lees Team die (angebliche) Supraleitfähigkeit von LK-99 nicht durch Festkörpersynthese entdeckt hat. Dabei wurden dieselben Verbindungen zur Reaktion gebracht, aber anstatt einen LK-99-Kristall zu erhalten, erlaubt die Technik stattdessen, dass sich die Reaktionsdämpfe an einer Glasstruktur sammeln und einen dünnen Film der Verbindung bilden. Nach Angaben von Sukbae und seinem Team wird dieser Film im Temperaturbereich zwischen 100 und 400 Grad Celsius geschmiedet (mit einem schwarzen Film aus Bleisulfid (PbS) im unteren Temperaturbereich, einem weißen Film aus Lanarkit (Pb2SO5) im oberen Temperaturbereich und einem grauen Film aus Blei-Appatit im mittleren Bereich).
Aus diesem grauen, mikrometerdicken Blei-Apatit-Film entsteht nach Ansicht der Autoren bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck Supraleitfähigkeit. Die Autoren weisen auch vorsorglich darauf hin, dass bei der Synthese auch Verunreinigungen von Eisen (Fe) und anderen Elementen entstehen und dass diese Verunreinigungen bekannte Quellen für Ferromagnetismus und Diamagnetismus sind – einige der Merkmale, die bereits in anderen Studien gefunden und reproduziert wurden.
Aber es wäre vielleicht verfrüht gewesen, diese Ergebnisse als Beweis dafür zu betrachten, dass LK-99 ein Blindgänger ist. Den Autoren zufolge erschweren diese magnetischen Merkmale den Blick auf den tatsächlichen Meissner-Effekt, so dass weniger vorsichtige Betrachter davon ausgehen, dass die Levitationsfähigkeiten von LK-99 bei diesen Arten von Magnetismus enden.
Nach Angaben der Autoren gibt es drei kritische Temperaturpunkte (Tc), an denen LK-99 die Phase wechselt: bei ~125, ~80 und ~50 Grad Celsius (Tc I entspricht dem zweiten gelben Pfeil und Tc II dem ersten gelben Pfeil). (Bildnachweis: Lee Sukbae et all)
Die genaue Methode zur Identifizierung und Messung der verräterischen Abstoßung externer Magnetfelder durch den Meissner-Effekt besteht im Anlegen eines sehr schwachen Magnetfelds mit einem so genannten supraleitenden Quanteninterferenzgerät (SQUID). Wenn dies beim Aufheizen und Abkühlen von LK-99 geschieht, kann das SQUID den Meissner-Effekt aufspüren, wenn er im supraleitenden Zustand von LK-99 auftritt, d. h. bei zwei der drei kritischen Temperaturphasenübergänge. Diese Phasenübergänge selbst entsprechen Veränderungen in der Struktur des Materials, die dann die Supraleitung (die geordnete und widerstandslose Bewegung von Elektronen) ermöglichen.
Das bringt uns zu der neuesten Arbeit von Vayssilov et al. an der Universität Sofia, die ebenfalls darauf hindeutet, dass LK-99 die erforderlichen Eigenschaften haben könnte, um ein Supraleiter zu werden (bitte beachten Sie, dass wieder einmal nicht von Raumtemperatur oder Umgebungsdruck die Rede ist).
Die allgemeine Idee, die in dem Papier vorgestellt wird, ist, dass es zwei Möglichkeiten gibt, wie dies geschehen könnte: Indem bestimmte Sauerstoffatome von ihren Plätzen entfernt werden, entstehen potenzielle Autobahnen für die Supraleitung, wobei der Raum, der zuvor von Atomkernen besetzt war, nun für Elektronenpaare (die so genannten Cooper-Paare) offen ist, um diese zu umgehen. Ein weiterer Vorschlag aus dem Papier ist, dass derselbe Effekt durch die Cu-Dotierung, über die wir gesprochen haben, erreicht werden kann.
