Benutzer:Why is my username taken?/LK-99

LK-99 ist ein grauschwarzer, potenzieller Raumtemperatur-Supraleiter.  Er hat eine hexagonale Struktur, die im Vergleich zu Blei-Apatit, durch das Einbringen geringer Mengen von Kupfer, leicht modifiziert ist. Das Material wurde erstmals von einem Team von Forschern, darunter Sukbae Lee (이석배) und Ji-Hoon Kim (김지훈) von der Korea University, entdeckt und hergestellt.  Das Team behauptet, dass es als Supraleiter bei Umgebungsdruck und unter 400 K (127 °C; 260 °F) funktioniert.

Stand 2. August 2023, wurde noch nicht bestätigt, dass das Material bei verschiedenen Temperaturen supraleitend ist. Die Synthese von LK-99 und die Beobachtung seiner Supraleitfähigkeit wurden weder unabhängig begutachtet noch repliziert. Die Ankündigung wurde weit verbreitet, und die Reaktion der wissenschaftlichen Welt war aufgrund der Außergewöhnlichkeit der Behauptungen sowie Fehlern und Inkonsistenzen in den vorveröffentlichten Artikeln überwiegend skeptisch. Unabhängige Teams versuchen, die Arbeit des südkoreanischen Teams zu replizieren. Aufgrund der unkomplizierten Methode zur Herstellung des Materials werden Ergebnisse jedoch erst im August 2023 erwartet.

Die ersten Studien, die die Entdeckung ankündigten, wurden in das Open-Access-Repository für elektronische Vorabdrucke arXiv hochgeladen. Lee behauptete jedoch, dass die hochgeladenen Vorabdruckpapiere unvollständig seien, während Co-Autor Hyun-Tak Kim (김현탁) angab, dass eines der Papiere Mängel aufwies.

Chemische Eigenschaften

Die chemische Zusammensetzung von LK-99 ist ungefähr Pb₉Cu(PO₄)₆O, sodass, im Vergleich zu reinem Bleiapatit (Pb₁₀(PO₄)₆O), ungefähr ein Viertel der Pb(II)-Ionen in Position 2 der Apatitstruktur durch Cu(II)-Ionen ersetzt werden.

Synthese

Lee et al. veröffentlichten eine Methode zur chemischen Synthese des LK-99-Materials: 

Durch die Herstellung von Lanarkit aus einer 1:1-molaren Mischung von Blei(II)oxid (PbO) und Blei(II)-sulfat (Pb(SO₄)) Pulvern und anschließendem Erhitzen auf 725°C (1.000 K; 1340°F) für 24 Stunden:

PbO + Pb(SO₄) → Pb₂(SO₄)O

Zusätzlich wurde Kupfer(I)Phosphid (Cu₃P) hergestellt, indem Kupfer (Cu) und Phosphor (P) Pulver im Molverhältnis 3:1 in einem verschlossenen Rohr unter Vakuum gemischt und auf 550°C (820 K; 1000°C) für 48 Stunden erhitzt wurden:

Cu + P → Cu₃P

Lanarkit- und Kupferphosphidkristalle wurden in ein Pulver gemahlen. Anschließend wurde das Pulver in ein verschlossenes Rohr unter Vakuum gegeben und 5–20 Stunden lang auf 925°C (1200 K; 1700°F) erhitzt:

Pb₂(SO₄)O + Cu₃P → Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O + S (g), wo (0.9 < x < 1.1)

Physische Eigenschaften

(a) Messungen der diamagnetischen Suszeptibilität von LK-99 (b) Probe von LK-99, die teilweise über einem großen Magneten schwebt

Das Material soll ein Raumtemperatur-Supraleiter sein. Ein Artikel zeigt, dass das Material starke diamagnetische Eigenschaften aufweist, und ein veröffentlichtes Video zeigt eine Probe des Materials, die teilweise auf einem großen Magneten schwebt.

Vorgeschlagener Mechanismus der Supraleitung

Ein teilweiser Ersatz von Pb²⁺-Ionen (mit einer Größe von 133 Pikometern) durch Cu²⁺-Ionen (mit einer Größe von 87 Pikometern) soll zu einer Volumenverringerung von 0,48 % führen, wodurch innere Spannungen im Material entstehen. Es wird behauptet, dass die innere Spannung einen Heteroübergangs-Quantentopf zwischen Pb(1) und Sauerstoff im Phosphat ([PO₄]³⁻) verursacht, wodurch ein supraleitender Quantentopf (SQW) entsteht.

Lee et al. behaupten zu zeigen, dass LK-99 auf ein Magnetfeld reagiert (möglicherweise aufgrund des Meissner-Effekts), wenn chemische Gasphasenabscheidung verwendet wird, um LK-99 auf eine nichtmagnetische Kupferprobe aufzutragen. Reines Bleiapatit ist ein Isolator, aber Lee et al. behaupten, dass ein mit Kupfer dotiertes Blei-Apatit (LK-99), ein Supraleiter oder bei höheren Temperaturen ein Metall sei. Sie behaupten nicht, eine Verhaltensänderung über eine Übergangstemperatur hinweg beobachtet zu haben.

Die Mechanismen des Papiers basierten auf einem Papier von Hyun-Tak Kim aus dem Jahr 2021, in dem eine neuartige „BR-BCS“-Theorie der Supraleitung beschrieben wurde, die eine klassische Theorie der Metall-Isolator-Übergänge mit der Standard-Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie der Supraleitung kombiniert. Der Aufsatz ist weit von der Mainstream-Physik entfernt und wird derzeit weniger als zehn Mal zitiert. Das Papier wurde in Scientific Reports veröffentlicht, eine Zeitschrift mit laxem Peer-Review und einer Geschichte kontroverser Papiere. Sie nutzen auch Ideen aus der Theorie der Lochsupraleitung von J.E. Hirsch, einem weiteren kontroversen Werk.

Am 1. August 2023 veröffentlichte Sinéad Griffin vom Lawrence Berkeley National Laboratory einen Vorabdruck, in dem die berichtete Struktur von LK-99 mit der Dichtefunktionaltheorie und dem Vienna Ab initio Simulation Package analysiert wurde. Diese Analyse deutete auf einen möglichen Mechanismus für die Entwicklung korrelierter isolierter flacher Bänder durch kupfersubstituiertes Bleiapatit hin, ein häufiges Merkmal von Supraleitern mit hohen Übergangstemperaturen.

Namensgebung

Der Name LK-99 setzt sich aus den Initialen der Entdecker Suk-bae Lee und Ji-hoon Kim sowie dem Jahr der Entdeckung (1999) zusammen. Das Paar hatte ursprünglich in den 1990er Jahren mit Professor Tong-Shik Choi (최동식) an der Korea University zusammengearbeitet.

Im Jahr 2008 gründeten Forscher der Korea University das Quantum Energy Research Center (퀀텀 에너지연구소; auch bekannt als Q-Centre). Lee wurde später CEO vom Q-Centre und Kim wurde Direktor für Forschung und Entwicklung (R&D) beim Q-Centre.

Als Tong-Shik Choi 2017 starb, beantragte er in seinem Testament die Fortsetzung der LK-99-Forschung. Das Q-Centre erhielt im selben Jahr neue Mittel und das Interesse an der LK-99-Forschung erwachte 2018 erneut.

Neue Versprechen für die Synthese von Supraleitern

Die in LK-99 beobachtete Supraleitung kann auf die in der "Leitungsbandtheorie" vorgeschlagenen Prinzipien zurückgeführt werden. Nach dieser Theorie bezieht sich der Begriff „Leitungszone“ auf das miteinander verbundene Netzwerk von Elektronenpfaden zwischen Molekülen in einem Leiter, durch das Elektronen zwischen verschiedenen Molekülen auf demselben Energieniveau fließen können, was zur Erzeugung elektrischer Ströme führt. Elektronen mit Energieniveaus unterhalb der Leitungszone bleiben in typischen Leitern in ihren jeweiligen Orbitalen eingeschlossen. Um den Stromfluss in einem Leiter zu erleichtern, ist externe Energie erforderlich, um Elektronen in die Leitungszone zu befördern, was zu einem spezifischen Widerstand führt. Bei Supraleitern führt die Nähe der Moleküle jedoch dazu, dass einige Valenzelektronen Orbitale haben, die die Leitungszone schneiden. Folglich können diese Valenzelektronen auf natürliche Weise in die Leitungszone eindringen, ohne dass Energie angehoben und zwischen Molekülen verschoben werden muss, was zur Erzeugung widerstandsfreier Ströme führt und Supraleitung ermöglicht.

Daher entsteht Supraleitung, wenn Moleküle eng beieinander gepackt sind. Unter normalen Bedingungen auf der Erde, ist es jedoch aufgrund der molekularen Abstoßung schwierig, eine solche Konfiguration zu erreichen. Ein Ansatz zur Überwindung dieser Einschränkung besteht darin, Druck auszuüben, um den Abstand zwischen Molekülen zu verringern. Auf diese Weise wurden in den letzten Jahrzehnten viele Hochtemperatursupraleiter hergestellt. Eine andere Methode zur Erzielung von Supraleitung besteht darin, die Temperatur zu senken. Bei niedrigen Temperaturen ziehen sich Elektronen in Orbitale mit niedrigerer Energie zurück, was zu einer verringerten Abstoßung zwischen Molekülen führt. Diese Verringerung der Abstoßung erzeugt einen äquivalenten Kompressionseffekt im Vergleich zu normalen Druckbedingungen auf der Erde. Daher gilt der gleiche grundlegende Mechanismus sowohl für die Niedertemperatur- als auch für die Hochtemperatur-Supraleitung.

Die Blei-Apatit-Kristallstruktur ähnelt einem Zylinder mit einem äußeren sechseckigen Rahmen aus Pb-Atomen und PO₄-Strukturen, die einen inneren Kern aus Pb- und O-Atomen umgeben. Durch den Ersatz einiger äußerer Pb-Atome durch kleinere Cu-Atome wird der Radius des äußeren Randes verringert, was zu einer Kompression auf die Atome des inneren Kerns führt. Diese Kompression bringt die inneren Pb- und O-Atome näher zusammen. Infolgedessen erstrecken sich bestimmte Valenzelektronen, die mit den inneren Pb- und O-Atomen verbunden sind, in die Leitungszone zwischen ihnen. Diese Anordnung ermöglicht die Supraleitung bei Raumtemperatur zwischen inneren Pb- und O-Atomen entlang des Kerns einzelner Kristalle, ohne dass äußerer Druck erforderlich ist.

Bei LK-99 scheint die Supraleitung jedoch auf einen eindimensionalen Pfad entlang der Mitte der Kristallstruktur beschränkt zu sein. Dieses einzigartige Verhalten könnte möglicherweise bestimmte Beobachtungen des partiellen Meissner-Effekts erklären. Um den Meissner-Effekt vollständig zum Ausdruck zu bringen, ist es entscheidend, dass die Leitungszone innerhalb eines Supraleiters nicht nur innerhalb einzelner Kristallstrukturen, sondern auch zwischen verschiedenen Strukturen gut verbunden ist, sodass Elektronen als Reaktion auf externe Magnetfelder in verschiedene Richtungen fließen können.

Dennoch ebnen die Erkenntnisse der LK-99-Studie den Weg für die Entwicklung fortschrittlicher Raumtemperatur-Supraleiter. Ein Ansatz besteht beispielsweise darin, die Zusammensetzung von LK-99 so zu verändern, dass kontrollierte Störungen seiner linearen Struktur entstehen. Diese Änderung verspricht, eine wesentliche Konnektivität über die linearen Leitungszonen hinweg herzustellen und dadurch die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, eine hochwertige Supraleitung zu erreichen.

Die Studie ist von großer Bedeutung und stellt einen vielversprechenden Schritt in die richtige Richtung dar, da sie neue Möglichkeiten aufzeigt, auf natürliche Weise durch intermolekulare Kräfte durch Manipulation der Molekülstruktur eine Kompression zwischen Molekülen zu erzeugen. LK-99 dient als Paradebeispiel für diesen Ansatz. Darüber hinaus ist es wichtig zu erkennen, dass es möglicherweise andere Raumtemperatur-Supraleiter gibt, die nach den in der Leitungszonentheorie vorgeschlagenen Prinzipien synthetisiert werden könnten.

Publikationsgeschichte

Im Jahr 2020 wurde ein erstes Papier bei Nature eingereicht, das jedoch abgelehnt wurde. Eine ähnlich präsentierte Forschungsarbeit zu Raumtemperatur-Supraleitern von Ranga P. Dias war Anfang des Jahres in Nature veröffentlicht und mit Skepsis aufgenommen worden. Dias‘ Arbeit wurde später im Jahr 2022 zurückgezogen, nachdem sich herausstellte, dass die Daten gefälscht waren.

Im Jahr 2020 reichten Lee und Ji-hoon Kim eine Patentanmeldung ein. Eine zweite Patentanmeldung (bei der zusätzlich Kwon aufgeführt ist) wurde 2021 eingereicht und am 3. März 2023 veröffentlicht. Am 4. April 2023 reichte das Q-Centre eine koreanische Markenanmeldung für „LK-99“ ein.

Im Februar 2023 veröffentlichte das Q-Centre ein Video auf YouTube, das angeblich die magnetischen Eigenschaften einer dünnen Schicht LK-99 zeigt, die thermisch auf einer Kupferplatte abgeschieden wurde.

Wissenschaftliche Artikel und Vorabdrucke

Im Jahr 2023 erschien eine Reihe wissenschaftlicher Veröffentlichungen, die erste Ergebnisse zusammenfassen, mit insgesamt sieben Autoren in vier Veröffentlichungen.

Am 31. März 2023 wurde beim Korean Journal of Crystal Growth and Crystal Technology ein Artikel in koreanischer Sprache mit dem Titel „Consideration for the development of room-temperature ambient-print supraconductor (LK-99)“ eingereicht. Es wurde am 18. April angenommen, aber erst drei Monate später allgemein gelesen.

Am 22. Juli 2023 erschienen zwei Preprints auf arXiv. Als dritter Autor wurde Young-Wan Kwon, ehemaliger CTO des Q-Centre, aufgeführt. In einem zweiten Vorabdruck wird als dritter Autor Hyun-Tak Kim aufgeführt, ehemaliger Hauptforscher am Electronics & Telecommunications Research Institute und Professor am College of William & Mary. Am 23. Juli wurden die Ergebnisse auch zur Begutachtung durch Fachkollegen an APL Materials übermittelt.

Am 28. Juli 2023 präsentierte Kwon die Ergebnisse auf einem Symposium an der Korea University. Am selben Tag veröffentlichte die Nachrichtenagentur Yonhap einen Artikel, in dem ein Beamter der Korea University mit der Aussage zitiert wurde, dass Kwon keinen Kontakt mehr zur Universität habe. Der Artikel zitierte auch Lee mit der Aussage, dass Kwon das Q-Centre Research Institute vor vier Monaten verlassen habe; dass die wissenschaftlichen Arbeiten zu LK-99 noch nicht abgeschlossen seien; und dass die Artikel ohne die Erlaubnis der anderen Autoren auf arXiv hochgeladen wurden.

Am 31. Juli veröffentlichte eine von Kapil Kumar geleitete Gruppe einen Vorabdruck auf arXiv, in dem ihre Replikationsversuche dokumentiert wurden. Dabei wurde die Struktur mittels Röntgenkristallographie (XRD) bestätigt, es konnten jedoch weder Diamagnetismus noch Levitation festgestellt werden.

Am 1. August 2023 teilte ein Q-Centre-Vertreter SBS News mit, dass die in dem Papier genannten Originalproben bald zur Überprüfung weltweit freigegeben würden.

Reaktionen

Materialwissenschaftler und Supraleiterforscher reagierten mit Skepsis. Die zum Zeitpunkt der Veröffentlichung bekannten Höchsttemperatur-Supraleiter hatten eine kritische Temperatur von 250 K (-23°C; -10°F) bei Druck von über 170 Gigapascal (1.680.000 atm; 24.700.000 psi). Der Höchsttemperatur-Supraleiter bei Atmosphärendruck (1 atm) hatte eine kritische Temperatur von höchstens 150 K (-123°C; -189°F).

Einer der stärksten Kritikpunkte ergibt sich aus dem Quantenaspekt der Elektronen, die durch den Supraleiter laufen. Beide Elektronen müssen denselben Spin haben, damit die Elektronen quantenmechanisch als reine Energie funktionieren, und der in LK-99 vorgeschlagene Innenraum ist möglicherweise nicht in der Lage, die Quantentöpfe zu erzeugen, die das SK-Team vermutet.

Stand 1. August 2023, beweisen die gemessenen Eigenschaften nicht, dass LK-99 ein Supraleiter ist, da das veröffentlichte Material nicht vollständig erklärt, wie sich die Magnetisierung von LK-99 ändern kann, seine spezifische Wärmekapazität demonstriert oder zeigt, dass es seine Übergangstemperatur überschreitet. Eine alternative Erklärung für die von LK-99 angegebene partielle Magnetschwebebahn könnte ausschließlich der nicht supraleitende Diamagnetismus sein.

Replikationsversuche

Bis zum 1. August 2023 war das Experiment nicht erfolgreich repliziert worden, obwohl die ersten Experimente im Jahr 2020 abgeschlossen wurden. Nach der Veröffentlichung im Juli 2023 berichteten unabhängige Gruppen, dass sie mit dem Versuch begonnen hatten, die Synthese zu reproduzieren, wobei erste Ergebnisse innerhalb von Wochen erwartet werden können.

Die ersten Versuche, bei denen Ergebnisse veröffentlicht wurden, beobachteten weder Levitation noch Diamagnetismus, und ihre Proben hatten einen hohen Widerstand. Ein chinesisches Team an der Huazhong University of Science and Technology berichtete, dass es bei seinem zweiten Versuch winzige Flocken produzierte, die diamagnetische Levitation zeigten. Keiner konnte genug produzierten, um den Widerstand, die Flussmittelbindung oder die spezifische Wärme zu testen.

Theoretische Studien

In den ersten Papieren waren die theoretischen Erklärungen für mögliche Mechanismen der Supraleitung in LK-99 unvollständig. Spätere Analysen anderer Labore fügten weitere Simulationen und theoretische Bewertungen der elektronischen Eigenschaften des Materials auf der Grundlage erster Prinzipien hinzu. [[Kategorie:Phosphat]] [[Kategorie:Wissenschaft und Forschung in Südkorea]] [[Kategorie:Wissenschaft]] [[Kategorie:2023]] [[Kategorie:Supraleitung]]