Ein magisches Material, das bei Raumtemperatur mühelos Elektrizität leiten könnte, würde wahrscheinlich die Zivilisation verändern, Energie zurückgewinnen, die sonst durch elektrischen Widerstand verloren geht, und Möglichkeiten für neuartige Technologien eröffnen.
Doch eine Behauptung über einen solchen Raumtemperatur-Supraleiter, die im März in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, weckte Zweifel und bei einigen sogar den Verdacht, dass die Ergebnisse gefälscht waren.
Doch nun berichtet eine Forschergruppe der University of Illinois Chicago, dass sie einen entscheidenden Messwert bestätigt hat: das scheinbare Verschwinden des elektrischen Widerstands.
Dieses Ergebnis beweist nicht, dass es sich bei dem Material um einen Raumtemperatur-Supraleiter handelt, könnte aber andere Wissenschaftler dazu motivieren, genauer hinzuschauen.
Ranga P. Dias, Professor für Maschinenbau und Physik an der University of Rochester in New York und eine Schlüsselfigur der ursprünglichen Forschung, hatte berichtet, dass das Material bei Temperaturen von bis zu 70 Grad Fahrenheit – viel wärmer – ein Supraleiter zu sein schien als andere Supraleiter – wenn sie mit einem Druck von 145.000 Pfund pro Quadratzoll zusammengedrückt werden, was etwa dem Zehnfachen dessen entspricht, was am Boden der tiefsten Gräben des Ozeans ausgeübt wird.
Der hohe Druck bedeutet, dass das Material wahrscheinlich keine praktische Verwendung finden wird, aber wenn die Entdeckung wahr ist, könnte sie den Weg zu anderen Supraleitern weisen, die tatsächlich unter alltäglichen Bedingungen funktionieren.
Die Behauptung stieß auf Skepsis, da es mehrere wissenschaftliche Kontroversen um Dr. Dias gab und andere Wissenschaftler, die versuchten, die Ergebnisse zu reproduzieren, keine Anzeichen von Supraleitung feststellen konnten.
Dr. Dias hat ein Unternehmen, Unearthly Materials, gegründet, um die Forschung zu kommerzialisieren, und hat bisher 16,5 Millionen US-Dollar an Finanzmitteln von Investoren eingesammelt.
Die neuen Messungen, die in einem diesen Monat veröffentlichten Preprint-Artikel enthüllt wurden, stammen von einem Team unter der Leitung von Russell J. Hemley, einem Professor für Physik und Chemie an der University of Illinois Chicago. Dr. Hemley lehnte eine Stellungnahme ab, da das Papier noch nicht von einer wissenschaftlichen Zeitschrift angenommen worden war.
Dennoch genießt er auf diesem Gebiet hohes Ansehen, und sein Bericht könnte zu einer positiveren Neubewertung von Dr. Dias’ Behauptung über die Supraleitung führen.
„Es könnte einige Leute überzeugen“, sagte James J. Hamlin, Professor für Physik an der University of Florida, der ein hartnäckiger Kritiker der Forschung von Dr. Dias war. „Das lässt mich denken, dass da etwas dran sein könnte.“
Das Material von Dr. Dias besteht aus Lutetium, einem silberweißen Seltenerdmetall, zusammen mit Wasserstoff und etwas Stickstoff. Anhand einer von Dr. Dias bereitgestellten Probe führte Dr. Hemleys Labor unabhängige Messungen des elektrischen Widerstands durch, während das Material unter hohem Druck abgekühlt wurde.
Dr. Hemley und seine Kollegen beobachteten einen starken Abfall des elektrischen Widerstands im Material. Obwohl diese bei Temperaturen von bis zu 37 Grad Fahrenheit auftraten, etwa 30 Grad kühler als Dr. Dias beschrieben, wäre das im Vergleich zu anderen Supraleitern immer noch warm. Die Übergangstemperaturen variierten je nachdem, wie fest das Material zusammengedrückt wurde.
„Sie haben elektrische Widerstandsmessungen durchgeführt, um unsere Ergebnisse zu bestätigen“, sagte Dr. Dias in einem Interview. „Es zeigt die Druckabhängigkeit der Übergangstemperatur, was sehr gut mit dem übereinstimmt, was wir in unserem Nature-Artikel im März berichtet haben.“
Die Messungen von Dr. Hemley liefern keinen Beweis für die Supraleitung. Möglicherweise ist das Material einfach ein sehr guter Leiter und kein Supraleiter.
Der Bericht enthielt keine Messungen, um festzustellen, ob im Inneren keine Magnetfelder vorhanden waren. Dieses als Meissner-Effekt bekannte Phänomen gilt als endgültiger Beweis für einen Supraleiter.
Einige der früheren Arbeiten von Dr. Dias haben heftige Debatten ausgelöst. Kritiker wie Dr. Hamlin sagen, dass manchmal entscheidende Details darüber ausgelassen wurden, wie Daten aus Experimenten verarbeitet wurden. Die Zeitschrift Nature zog sogar einen im Jahr 2020 veröffentlichten Artikel zurück, in dem eine frühere Supraleiter-Behauptung aufgestellt wurde, trotz der Einwände von Dr. Dias und den anderen Autoren, die sagen, die Ergebnisse seien weiterhin gültig.
Dr. Hamlin hat auch darauf hingewiesen, dass Teile von Dr. Dias‘ Doktorarbeit an der Washington State University aus dem Jahr 2013 praktisch wörtlich aus der Arbeit anderer Wissenschaftler kopiert wurden, darunter auch aus Dr. Hamlins eigener Doktorarbeit.
Dr. Dias gibt zu, dass er in seiner Dissertation die Arbeit anderer Leute kopiert hat und meint, er hätte Zitate einschließen sollen. In seinen früheren Arbeiten bestreitet er wissenschaftliches Fehlverhalten.
„Ich habe mich nie wissentlich oder absichtlich an einem Plagiat der wissenschaftlichen Arbeit von irgendjemandem beteiligt“, sagte Dr. Dias. „Es war ein Versehen.“
Die Forschungsergebnisse von Dr. Hemleys Team deuten darauf hin, dass Dr. Dias tatsächlich etwas Neues im Lutetium-Wasserstoff-Stickstoff-Material entdeckt hat.
Lilia Boeri, Professorin für Physik an der Universität Sapienza in Rom, sagte, es sei offensichtlich, dass dies keine Wiederholung eines wissenschaftlichen Skandals vor zwei Jahrzehnten sei, als sich herausstellte, dass es sich bei J. Hendrik Schön, einem Forscher an den Bell Labs in New Jersey, um einen solchen Skandal gehandelt hatte Er stellte seine Daten zusammen und behauptete, er habe eine Reihe bahnbrechender Entdeckungen gemacht.
„Das ist eine völlig andere Geschichte in dem Sinne, dass er mit Sicherheit etwas produziert und gemessen hat“, sagte Dr. Boeri über Dr. Dias.
Sie fügte jedoch hinzu: „Es ist wirklich unklar, ob dies ein Hinweis auf Supraleitung ist oder einfach nur, dass er eine interessante elektronische Übertragung irgendeiner Art gefunden hat.“
In den letzten Jahren haben sich als Hydride bekannte Materialien bei der Suche nach Supraleitern, die bei wärmeren Temperaturen funktionieren, als vielversprechend erwiesen, obwohl sie bisher alle Brechdrücke erfordern. Dr. Dias sagte, es seien Hydride gewesen, die ihn zum Lutetium-Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch geführt hätten.
Boeri sagte jedoch, dass andere Hydride zwar zur Standardtheorie der Supraleitung passen, die Substanz von Dr. Dias jedoch nicht.
In einem früheren Aufsatz versucht Dr. Hemley zusammen mit Adam Denchfield, einem Doktoranden der Physik an der University of Illinois Chicago, und Hyowon Park, einem Assistenzprofessor für Physik an derselben Universität, zu erklären, warum, indem er sagt, dass Forscher Feinheiten übersehen haben in der elektronischen Struktur der Lutetium-Wasserstoff-Stickstoff-Verbindung, die eine Erklärung für eine höhere supraleitende Temperatur liefern könnte.
Sie schlagen vor, dass die Elemente in Dr. Dias’ Material in unterschiedlichen Strukturen konfiguriert werden könnten. Die vorherrschende Struktur könnte für die Farbänderung und andere beobachtete Eigenschaften verantwortlich sein, während die supraleitenden Ströme durch einen kleineren Anteil einer anderen Struktur in der Verbindung fließen. Das könnte erklären, warum nicht alle Proben, nicht einmal alle im Labor von Dr. Dias hergestellten, supraleitend sind.
Aber Dr. Boeri lässt sich nicht beeindrucken.
„Die theoretischen Argumente sind völlig seltsam“, sagte sie. Dr. Boeri sagte, ein Material mit hoher supraleitender Temperatur benötige eine sehr steife Gitterstruktur, die dieses Material nicht besitze, und das Papier erörtere dieses Problem nicht.
Eva Zurek, Professorin für Chemie an der University at Buffalo, die bei anderen Projekten sowohl mit Dr. Hemley als auch mit Dr. Dias zusammengearbeitet hat, war zunächst skeptisch, hat nun aber teilweise ihre Meinung geändert.
Numerische Simulationen von Supraleitern beinhalten Vereinfachungen zur Durchführung der Berechnungen. In Dr. Hemleys Artikel wird argumentiert, dass die Berechnungen etwas anders durchgeführt werden sollten, und als Dr. Zureks Gruppe diese Modifikationen ausprobierte, kam sie zu den gleichen Antworten.
„Mir wurde klar, dass es nicht unmöglich ist“, sagte Dr. Zurek. „Ich würde es nicht sofort ausschließen, sagen wir es mal so.“