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Behauptungen über einen Raumtemperatur-Supraleiter gingen letzte Woche viral. Hier ist alles, was wir wissen.

Seit ihrer ersten Entdeckung im Jahr 1911 haben Supraleiter – Materialien, die Elektrizität perfekt leiten – Physiker schon lange fasziniert und fasziniert.

Supraleiter werden in Teilchenbeschleunigern, Kernfusionsgeräten, MRT-Geräten und sogar Magnetschwebebahnen eingesetzt. Doch breitere und häufigere Anwendungen werden durch eine verbotene Temperaturgrenze behindert – bisher konnte kein Supraleiter nachweislich bei Umgebungsdrücken und -temperaturen funktionieren.

Am 22. Juli veröffentlichten Wissenschaftler in Südkorea Forschungsergebnisse, die behaupteten, dieses Problem gelöst zu haben. Sie sagen, dass ihr Material mit der Bezeichnung LK-99 einen elektrischen Widerstand bzw. Widerstand gegen den Stromfluss aufweist, der bei 30 Grad Celsius (86 Grad Fahrenheit) auf nahezu Null sinkt. Ihre Behauptungen haben einen weltweiten Wettlauf um die Nachbildung des Materials und die Prüfung seiner Eigenschaften ausgelöst. Bis zum 4. August war noch niemand in der Lage, die Ergebnisse zu reproduzieren.

Hier finden Sie alles, was Sie über Supraleiter wissen müssen.

Alle Materialien besitzen eine Eigenschaft, die als spezifischer Widerstand bekannt ist. Versuchen Sie, einen elektrischen Strom durch sie zu leiten, geht unweigerlich ein Teil der im Strom enthaltenen Energie verloren. Dies liegt daran, dass die stromführenden Elektronen mit den im Material hin- und herbewegenden Ionen kollidieren und so einen Widerstand gegen ihren Fluss erzeugen.

Kühlt man ein Material jedoch ab, so dass die Ionen in seinem Inneren weniger Energie zum Schwingen haben und die Kollisionsraten sinken, wodurch der spezifische Widerstand stark sinkt. Die meisten Materialien müssten den unmöglich zu erreichenden Zustand des absoluten Nullpunkts erreichen, um einen spezifischen Widerstand von Null zu erreichen. Einige seltene Materialien können jedoch oberhalb des absoluten Nullpunkts einen spezifischen Widerstand von Null erreichen – wir nennen diese Materialien Supraleiter.

Der erste Supraleiter wurde 1911 entdeckt, nachdem der niederländische Physiker Heike Kamerlingh Onnes bemerkte, dass ein unterkühlter Quecksilberdraht (seine Temperatur sank auf etwa minus 452 F (minus 269 °C)) dem Stromfluss nicht mehr widerstand; eine Beobachtung, die ihm den Nobelpreis einbrachte in Physik. Seine Beobachtungen wurden bald mit anderen Elementen wie Blei, Niob und Zinn gemacht.

Trotz Onnes' Entdeckung würde es Jahrzehnte dauern, zu erklären, warum es passierte.

Die Erklärung erschien schließlich 1957 unter dem Namen der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten „BCS-Theorie“. Die nach ihren Entdeckern John Bardeen, Leon Cooper und John Robert Schrieffer benannte BCS-Theorie erklärt, dass Supraleitung aus Wellen entsteht, die von Elektronen verursacht werden, wenn sie sich durch das Material bewegen. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen führen diese Wellen dazu, dass Atomkerne innerhalb von Atomen zueinander hingezogen werden, was wiederum zu einem leichten Ladungsversatz führt, der ein zweites Elektron zum ersten anzieht. Die Kraft dieser Anziehung bewirkt, dass etwas Seltsames geschieht: Anstatt sich gegenseitig durch die Kraft der elektrostatischen Abstoßung abzustoßen, verbinden sich die Elektronen stattdessen zu einem „Cooper-Paar“.

Cooper-Paare folgen anderen quantenmechanischen Regeln als einzelne Elektronen. Anstatt sich übereinander zu stapeln und Energiehüllen zu bilden, wirken sie wie Lichtteilchen – von denen unendlich viele gleichzeitig denselben Punkt im Raum besetzen können. Erzeugen Sie genügend dieser Cooper-Paare in einem Material, und sie werden zu einem Suprafluid, das ohne Energieverlust fließt. Rühren Sie ein Superfluid einmal um, und es bleibt theoretisch bis zum Ende des Universums wirbelnd.

Doch das war noch lange nicht die letzte Überraschung, die die Supraleitung den Physikern bereithielt. Im Jahr 1986 fanden die verstorbenen Alex Müller und Georg Bednorz, beide von IBM, heraus, dass Materialien namens Cuprate – bestehend aus Schichten aus Kupfer und Sauerstoff zwischen anderen Elementen – bei Temperaturen von bis zu minus 211 F (minus 135 °C) supraleitend sein können.

Warum dies genau geschieht, ist noch nicht vollständig geklärt, aber die vorherrschende Theorie ist die des amerikanischen Physikers Phillip Anderson, der vorschlug, dass Elektronen durch einen quantenmechanischen Prozess namens Superaustausch den Platz untereinander tauschen.

Elektronen versuchen ständig, den Platz zu tauschen, weil sie, ähnlich wie alle Teilchen und viele Dinge in der Natur, danach streben, den niedrigstmöglichen Energiezustand einzunehmen. Da Heisenbergs Unschärferelation besagt, dass nur die Position oder der Impuls eines Teilchens zu einem bestimmten Zeitpunkt klar bekannt sein kann, bewegen sich die Elektronen, um ihre Positionen am unsichersten und ihren Impuls am klarsten zu definieren.

Dieses ständige Umschalten führt wiederum dazu, dass die Energien der Elektronen schärfer definiert werden können und sie in den niedrigstmöglichen Energiezustand absinken können. Und die ideale Konfiguration für diesen Wechsel? Es handelt sich zufällig um ein Meer gleichmäßig verteilter Cooper-Paare.

Einige neuere Experimente deuten darauf hin, dass Anderson recht hatte – zumindest was die von ihnen untersuchten Materialien betrifft –, doch Superaustausch könnte theoretisch nur eine Art von Elektronenkleber unter vielen sein. Ebenso ungewiss ist, bei welcher Temperatur einige dieser hypothetischen Elektronenkleber arbeiten könnten und welche hergestellten Materialien diese Elektronenkleber produzieren könnten.

Supraleiter haben eine verräterische Eigenschaft: Levitation. Da ein fließender Strom ein Magnetfeld erzeugt, fließen die Elektronen im Inneren beim Übergang von Materialien in supraleitende Zustände ohne Reibung und erzeugen ein Magnetfeld, das einen externen Magneten mit gleicher und entgegengesetzter Kraft abstoßen kann. Platzieren Sie einen Supraleiter über einem Magneten und er schwebt perfekt in der Luft, ein Phänomen, das Meissner-Effekt genannt wird.

Supraleiter bei Raumtemperatur verstoßen nicht gegen bekannte physikalische Theorien, aber es gibt auch keine Theorien, die sie vorhersagen.

Die Schwierigkeit, sie herzustellen, läuft auf ein technisches Rätsel hinaus, bei dem es eine gewaltige Menge an Atomen und chemischen Eigenschaften in vielen Materialkombinationen zu testen gilt.

Zu den Materialien, die Wissenschaftler getestet haben, gehört Graphen, dessen Tieftemperatursupraleitung abhängig von den Drehungen und Wendungen seiner ein Atom dicken Schichten ein- oder ausgeschaltet werden kann. Ein weiterer vielversprechender Kandidat ist das Element Scandium, ein silbriges Metall, von dem Forscher in diesem Jahr berichteten, dass es bei wärmeren (aber immer noch sehr kalten) Temperaturen supraleitend sein kann.

Doch eine berüchtigte Behauptung hat das Feld in einen Skandal getrübt. In einem Experiment aus dem Jahr 2020 sagten Forscher, sie hätten eine Mischung aus Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff beobachtet, die unter zwei supraleitenden Diamanten bei atemberaubenden 14 °C (57 °F) unter hohem Druck zerkleinert wurde. Ein in diesem Jahr durchgeführtes Folgeexperiment bestätigte die Behauptung: Bei einem vergrößerten Teil des Materials betrug die supraleitende Temperatur tatsächlich bis zu 21 °C (70 °F). Nach Untersuchungen durch andere Wissenschaftler wurde das Papier aus dem Jahr 2020 jedoch zurückgezogen und dem Team hinter den beiden Experimenten wurden Datenmanipulation und Plagiat vorgeworfen.

Auf dieser überfüllten Bühne erscheint LK-99, ein Material, dessen spezifischer Widerstand nach Angaben der Forscher bei 86 F (30 °C) auf nahezu Null sinkt. Das Material besteht aus gemischten Pulvern aus Blei, Sauerstoff, Schwefel und Phosphor, die mit Kupfer dotiert sind. Außerdem ist es relativ einfach herzustellen und zu testen.

Bisher wurden elf Versuche zur Replikation der Ergebnisse von wissenschaftlichen Institutionen angekündigt und sieben haben Ergebnisse bekannt gegeben. Von diesen sieben haben drei Eigenschaften gefunden, die denen von LK-99 ähneln, jedoch keine Supraleitung. Die übrigen vier beobachteten weder Magnetismus noch Supraleitung.

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Ben Turner ist ein in Großbritannien ansässiger Mitarbeiter bei Live Science. Er befasst sich neben Physik und Astronomie auch mit Themen wie Technologie und Klimawandel. Er schloss sein Studium der Teilchenphysik am University College London ab und absolvierte anschließend eine Ausbildung zum Journalisten. Wenn er nicht gerade schreibt, liest Ben gerne Literatur, spielt Gitarre und blamiert sich mit Schach.

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