07.08.2023

Diskussion um Raumtemperatur-Supraleiter hält an

Computersimulationen zeigen für die Supraleitung günstige Elektronenzustände.

LK-99 heißt das Material, über das in diesen Tagen weltweit heiß diskutiert wird: Eine koreanische Forschungs­gruppe veröffentlichte Ende Juli 2023 Ergebnisse, die darauf hindeuten, dass es sich dabei um einen Supraleiter handeln könnte, der auch bei Raumtemperatur und normalem Atmosphären­druck supraleitend bleibt. Bisher bekannte Supraleiter behalten ihre Eigenschaften nur, wenn sie entweder auf sehr tiefe Temperaturen gekühlt oder extrem hohem Druck ausgesetzt werden. Sollte sich diese Vermutung bestätigen, wäre das ein gewaltiger Durchbruch: Als Heiliger Gral der Material­wissenschaft wurde ein solcher Hoch­temperatur-Supraleiter immer wieder bezeichnet. Ein solches Material würde die Art revo­lutionieren, wie wir Strom generieren, trans­portieren, speichern und Elektro­motoren nutzen. Allerdings gibt es noch berechtigte Zweifel.

Abb.: Berechnete Kristallstruktur des neu entdeckten Materials LK-99. (Bild: TU...
Abb.: Berechnete Kristallstruktur des neu entdeckten Materials LK-99. (Bild: TU Wien)

An der TU Wien analysierte man nun das Material mit Computer­simulationen und machte dabei einige interessante Entdeckungen: Die berechneten Elektronen­zustände sind tatsächlich recht günstig für Supraleitung. Beweis ist das freilich noch keiner – aber ein weiterer Grund, dem neuen Material ernsthafte Aufmerk­samkeit zu schenken. Liang Si von der Northwestern University Xi'an und Karsten Held vom Institut für Festkörper­physik der TU Wien starteten sofort nach Bekanntwerden der Entdeckung Computersimulationen, um das neue Material LK-99 zu analysieren. „Entscheidend ist die Bandstruktur des Materials“, erklärt Karsten Held. „Sie sagt uns, welche Kombi­nationen aus Geschwindigkeit und Energie für die Elektronen in diesem Material möglich sind. Wenn man diese Bandstruktur kennt, kann man viel über die elektrischen Eigen­schaften des Materials aussagen.“

Mit Hilfe der Dichtefunktional­theorie konnten Liang Si und Karsten Held diese Bandstruktur berechnen. Dabei zeigt sich: Die elektrische Abstoßung zwischen den Elektronen führt dazu, dass das Material in Reinform eigentlich ein Mott-Isolator sein müsste – ein Material, das gar keinen Strom leitet, in gewissem Sinn das Gegenteil eines Supraleiters. In den Experimenten dürfte somit unbeab­sichtigt eine dotierte Variante des Materials verwendet worden sein – also eine, bei der bestimmte Zusatzatome eingebaut wurden. Und wenn dem Material durch diese Art der Dotierung zusätzliche Elektronen hinzufügt werden, dann sieht das Ergebnis völlig anders aus.

„Wir sehen relativ flache Linien in der Bandstruktur, und man weiß, dass es verschiedene Mechanismen gibt, die bei einer solchen Bandstruktur zu Supraleitung führen können“, sagt Karsten Held. Es scheint also tatsächlich im Bereich des Möglichen zu sein, dass LK-99 mit passender Dotierung ein Supraleiter ist. „Bestätigt wird das von einer anderen Arbeits­gruppe aus Peking, die bei ersten Experimenten zum Ergebnis kamen, dass es sich bei LK-99 um einen paramagnetischen Isolator handelt. Man muss das Material dotieren, um die Bandstruktur zu erhalten, die potenziell Supraleitung ermöglicht.“, so Held.

Drei andere Forschungs­gruppen führten zur selben Zeit ebenfalls Dichtefunktional­theorie-Rechnungen mit ähnlichen Ergebnissen durch. „Das ist noch kein Beweis für Hochtemperatur-­Supraleitung, es ist nach wie vor möglich, dass es sich nicht um einen Supraleiter handelt. Aber unserer Ergebnisse nähren zumindest ein bisschen die Hoffnung, dass es sich tatsächlich um einen lange gesuchten Hochtemperatur-­Supraleiter handeln könnte“, sagt Karsten Held.

Wenn man einen Supraleiter auf einem Magneten platziert, so beginnt auf der Oberfläche des Supraleiters elektrischer Strom zu fließen, der seinerseits ein Magnetfeld erzeugt. Der Supraleiter wird vom Magneten abgestoßen und kann somit über dem Magneten schweben. Daher war eines der zentralen Argumente dafür, dass LK-99 ein Supraleiter ist, ein Video, das LK-99 beim Schweben über einem Magneten zeigt. Diese Experimente wurden mittlerweile von anderen experi­mentellen Gruppen bestätigt. Kritisiert wurde allerdings, dass es sich in diesem Fall auch um einen anderen Effekt handeln könnte – es gibt nämlich verschiedene Formen von Magnetismus wie Ferro- und Para­magnetismus. Das Gegenteil davon ist Diamagnetismus: Diamagne­tische Materialien werden von einem Magneten abgestoßen.

„Somit wäre es denkbar, dass LK-99, wenn es über einem Magneten schwebt, auch ein gewöhnlicher Diamagnet sein könnte. Das wurde in den letzten Tagen auch immer wieder vermutet“, sagt Karsten Held. Er selbst hält das aber nach den theo­retischen Rechnungen nun für weniger wahrscheinlich: „Die elektronischen Eigenschaften, die wir ausgerechnet haben, lassen nicht erwarten, dass LK-99 ein Diamagnet ist. Im Gegenteil: Angesichts der Verteilung der Elektronen würde man eher vermuten, dass LK-99 para­magnetisch sein sollte.“ Die Experimente aus Peking zeigen das auch. Das würde bedeuten, dass ein Schweben der LK-99-Proben tatsächlich auf einen Übergang in den supraleitenden Zustand hindeuten würde.

Noch sind viele weitere Schritte notwendig, um das zu überprüfen. „Es gibt noch immer sehr gute Gründe, skeptisch zu sein“, sagt Karsten Held. Tatsächlich berichteten zwei voneinander unabhängige Forschungs­gruppen in Indien und China, dass sie die süd­koreanischen Ergebnisse nicht repro­duzieren konnten. „Mein Geld würde ich derzeit nicht darauf wetten, dass es sich hier tatsächlich um einen Hoch­temperatur-Supraleiter handelt – zumindest nicht bei einer Wettquote von 1:1. Aber die Ergebnisse zeigen zumindest, dass LK-99 tatsächlich ein sehr interessantes Material ist, das nähere Aufmerk­samkeit verdient hat.“

TU Wien / JOL

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