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LK-99 ist ein potentieller Raumtemperatur-Supraleiter mit grau-schwarzem Erscheinungsbild. Seine hexagonale Struktur ist leicht modifiziert gegenüber Blei‒Apatit, durch die Zugabe geringer Mengen Kupfer. Entdeckt und hergestellt wurde das Material erstmals von einem Forschungsteam, das Sukbae Lee (이석배) und Ji-Hoon Kim (김지훈) von der Korea University einschließt. Das Team behauptet, das Material funktioniere als Supraleiter bei Umgebungsdruck und unterhalb von 400K (≈127°C).

Kristallstruktur
,
Kristallsystem	hexagonal
Raumgruppe	P63/m, No. 176
Gitterparameter	a = 9.843 Å, c = 7.428
Allgemeines
Name	LK-99
Verhältnisformel	Pb9Cu1P6O25
Kurzbeschreibung	grau-schwarzer Feststoff
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer ?
Eigenschaften
Molare Masse	2514.2 g·mol-1
Aggregatzustand	fest
Dichte	6.699 g·cm−3
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung H- und P-Sätze H: EUH: P:
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Stand 2. August 2023 ist LK-99 bei keiner Temperatur als Supraleiter bestätigt worden. Die Synthese von LK-99 und die Beobachtung seiner Supraleitung wurden weder begutachtet noch unabhängig repliziert. Die Reaktion der Wissenschaftsgemeinde viel seit Anfang eher skeptisch aus, unter anderem wegen Fehlern und Unstimmigkeiten in den vorveröffentlichten Arbeiten. Lee behauptete beispielsweise, dass die hochgeladenen Vorabdrucke unvollständig waren, während Mitautor Hyun-Tak Kim (김현탁) erklärte, dass einer der Artikel Mängel aufwies. Unabhängige Teams versuchen, die Arbeiten des südkoreanischen Teams zu replizieren, mit Ergebnissen, die im August 2023 aufgrund der einfachen Methode zur Herstellung des Materials erwartet werden. Die ursprünglichen Studien, die die Entdeckung ankündigten, wurden als Preprints auf arXiv hochgeladen.

Chemische Eigenschaften

Im Rahmen ihrer Forschung zur Synthese von LK-99-Material entwickelten Lee und Kollegen einen Prozess, der auf der Erzeugung von Lanarkit beruht. Dieser Prozess involviert das Mischen von Blei(II)-oxid (PbO) und Blei(II)-sulfat (Pb(SO₄)) in einem molaren Verhältnis von 1:1, gefolgt von einer Erhitzung bei 725 °C für 24 Stunden. Die Reaktionsgleichung lautet:

PbO + Pb(SO₄) → Pb₂(SO₄)O

Ein zusätzlicher Schritt beinhaltet die Produktion von Kupfer(I)-phosphid (Cu₃P). Dies wird erreicht, indem Kupfer (Cu) und Phosphor (P) in einem 3:1 Molverhältnis gemischt und in einem versiegelten Rohr unter Vakuum auf 550 °C für 48 Stunden erhitzt werden. Die dabei resultierende Reaktionsgleichung lautet:

Cu + P → Cu₃P

Die hergestellten Kristalle aus Lanarkit und Kupferphosphid werden schließlich zu einem Pulver zermahlen. Dieses wird in einem vakuumversiegelten Rohr platziert und für eine Dauer von 5 bis 20 Stunden auf 925 °C erhitzt. Die abschließende Reaktionsgleichung ist:

Pb₂(SO₄)O + Cu₃P → Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O + S (g), wobei (0,9 < x < 1,1)

Physikalische Eigenschaften

(a) Diamagnetische Suszeptibilitätsmessungen an LK-99, (b) Ein Teil der LK-99-Probe schwebt über einem starken Magneten

LK-99 wird als möglicher Supraleiter bei Raumtemperatur beschrieben. Die ursprünglichen Studien weisen zwar nicht explizit auf die typischen Kennzeichen einer Supraleitung, wie Nullwiderstand und den Meißner-Ochsenfeld-Effekt hin, sie präsentieren aber starke diamagnetische Eigenschaften des Materials, einschließlich einer Videoaufnahme, auf der eine Probe des Materials auf einem starken Magneten teilweise schwebt, ein Phänomen, das mit der Supraleitung zusammenhängen könnte.

Forscher prüfen für gewöhnlich neben einem Nullwiderstandsverhalten und dem Meißner-Effekt auch andere erwartete Eigenschaften wie Flux-Pinning, Wechselstrommagnetische Suszeptibilität, den Josephson-Effekt, ein temperaturabhängiges kritisches Feld und einen Strom oder einen plötzlichen Anstieg der spezifischen Wärme bei der kritischen Temperatur. Bis zum 2. August wurden jedoch keine dieser Eigenschaften im ursprünglichen Experiment oder in darauf folgenden Reproduktionsversuchen beobachtet.

Hypothetischer Mechanismus der Supraleitung

Es wird postuliert, dass die partielle Substitution von Pb²⁺-Ionen (133 Picometer) durch Cu²⁺-Ionen (87 Picometer) eine Volumenreduktion von ca. 0,5% bewirkt und so inneren Stress im Material erzeugt. Dieser Stress könnte hypothetisch einen supraleitenden Quantentopf (SQW) zwischen dem Pb(1) und Sauerstoff innerhalb des Phosphats ([PO₄]³⁻) hervorrufen.

Lee et al. berichten von einer beobachteten Reaktion von LK-99 auf ein magnetisches Feld (möglicherweise aufgrund des Meißner-Ochsenfeld-Effekts) nach der Auftragung von LK-99 auf eine nichtmagnetische Kupferprobe mittels chemischer Gasphasenabscheidung. Reines Blei-Apatit wirkt isolierend, doch Lee et al. geben an, dass das durch Kupfer durchsetzte Blei-Apatit, welches LK-99 bildet, ein Supraleiter oder bei höheren Temperaturen ein Metall ist. Von einer Änderung des Verhaltens bei einer Übergangstemperatur wurde jedoch nicht berichtet.

Die postulierten Mechanismen basieren auf einer Arbeit von Hyun-Tak Kim aus dem Jahr 2021, die eine neue Theorie der Supraleitung vorstellt. Diese Theorie vereint eine klassische Theorie der Metall-Isolator-Übergänge mit der Standard-Bardeen–Cooper–Schrieffer-Theorie der Supraleitung.

Am 1. August 2023 wurden Analysen von LK-99 durch drei unabhängige Forschungsgruppen mittels der Dichtefunktionaltheorie (DFT) veröffentlicht. Sinéad Griffin vom Lawrence Berkeley National Laboratory analysierte das Material mit dem Vienna Ab-initio Simulation Package und fand heraus, dass seine Struktur korrelierte, isolierte flache Bänder aufweist, was ein Merkmal von Hochtemperatur-Supraleitern sein könnte. Ähnliche Ergebnisse wurden von Si und Held ermittelt, die vermuten, dass eine gewisse Dotierung von Blei-Apatit das Material supraleitend machen könnte.