Neuer Raum

Der Durchbruch könnte eines Tages Technologien verändern, die elektrische Energie nutzen, aber er kommt von einem Team, das nach einem zurückgezogenen Artikel über Supraleiter Zweifel hegt.

Ein Diamant, der in einer Diamantambosszelle unter einem Mikroskop platziert wird, zur Verwendung in Supraleitungsexperimenten in einem Labor der Universität Rochester unter der Leitung von Ranga P. Dias.Quelle: Lauren Petracca für die New York Times

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Von Kenneth Chang

Im Rahmen der Berichterstattung zu dieser Geschichte besuchte Kenneth Chang ein Labor an der University of Rochester in New York, wo neue supraleitende Materialien untersucht werden.

Wissenschaftler kündigten diese Woche einen verlockenden Fortschritt auf dem Weg zum Traum eines Materials an, das unter alltäglichen Bedingungen mühelos Elektrizität übertragen kann. Ein solcher Durchbruch könnte nahezu jede Technologie, die elektrische Energie nutzt, verändern und neue Möglichkeiten für Ihr Telefon, Magnetschwebebahnen und zukünftige Fusionskraftwerke eröffnen.

Normalerweise stößt der Stromfluss auf Widerstand, wenn er sich durch Drähte bewegt, fast wie eine Form von Reibung, und ein Teil der Energie geht in Form von Wärme verloren. Vor einem Jahrhundert entdeckten Physiker Materialien, die heute Supraleiter genannt werden und bei denen der elektrische Widerstand scheinbar auf magische Weise verschwand. Diese Materialien verloren jedoch erst bei überirdischen, ultrakalten Temperaturen ihre Widerstandsfähigkeit, was die praktische Anwendung einschränkte. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach Supraleitern, die bei Raumtemperatur funktionieren.

Die Ankündigung dieser Woche ist der jüngste Versuch dieser Bemühungen, stammt jedoch von einem Team, das auf große Skepsis stößt, da ein Papier aus dem Jahr 2020, in dem ein vielversprechendes, aber weniger praktisches supraleitendes Material beschrieben wurde, zurückgezogen wurde, nachdem andere Wissenschaftler einige der Daten in Frage gestellt hatten.

Der neue Supraleiter besteht aus Lutetium, einem Seltenerdmetall, und Wasserstoff mit etwas Stickstoff. Er muss auf einen Druck von 145.000 Pfund pro Quadratzoll komprimiert werden, bevor er seine supraleitende Wirkung entfalten kann. Das ist etwa das Zehnfache des Drucks, der am Boden der tiefsten Meeresgräben herrscht.

Aber es ist auch weniger als ein Hundertstel dessen, was für das Ergebnis von 2020 erforderlich war, was den erdrückenden Kräften ähnelt, die mehrere tausend Meilen tief im Erdinneren herrschen. Dies deutet darauf hin, dass weitere Untersuchungen des Materials zu einem Supraleiter führen könnten, der bei Raumtemperatur und dem üblichen Atmosphärendruck von 14,7 Pfund pro Quadratzoll funktioniert.

„Dies ist der Beginn einer neuen Art von Material, das für praktische Anwendungen nützlich ist“, sagte Ranga P. Dias, Professor für Maschinenbau und Physik an der University of Rochester in New York, am Dienstag vor einem Raum voller Wissenschaftler bei einem Treffen der American Physical Society in Las Vegas.

Eine ausführlichere Darstellung der Ergebnisse seines Teams wurde am Mittwoch in Nature veröffentlicht, der gleichen Zeitschrift, die die Ergebnisse von 2020 veröffentlicht und dann zurückgezogen hat.

Das Team in Rochester begann mit einer kleinen, dünnen Folie aus Lutetium, einem silberweißen Metall, das zu den seltensten Seltenerdelementen gehört, und presste es zwischen zwei ineinandergreifende Diamanten. Anschließend wurde ein Gas aus 99 Prozent Wasserstoff und 1 Prozent Stickstoff in die winzige Kammer gepumpt und auf hohen Druck gedrückt. Die Probe wurde über Nacht auf 150 Grad Fahrenheit erhitzt und nach 24 Stunden wurde der Druck abgelassen.

In etwa einem Drittel der Fälle führte der Prozess zum gewünschten Ergebnis: einem kleinen leuchtend blauen Kristall. „Es ist nicht so einfach, Stickstoff in Lutetiumhydrid zu dotieren“, sagte Dr. Dias.

In einem der von Dr. Dias‘ Gruppe genutzten Laborräume der Universität Rochester demonstrierte Hiranya Pasan, eine Doktorandin, während eines Reporterbesuchs letzte Woche die überraschende Eigenschaft des Materials, den Farbton zu verändern. Als die Schrauben festgezogen wurden, um den Druck zu erhöhen, verwandelte sich das Blau in einen errötenden Farbton.

„Es ist sehr rosa“, sagte Dr. Dias. Bei noch höheren Drücken, sagte er, „geht es zu einem leuchtenden Rot.“

Das Leuchten eines Lasers durch die Kristalle zeigte, wie sie vibrieren, und erschloss Informationen über die Struktur.

In einem anderen Raum führten andere Mitglieder von Dr. Dias‘ Team magnetische Messungen an anderen Kristallen durch. Als die Temperaturen sanken, erschienen in den auf einem Computerbildschirm aufgezeichneten Daten die erwarteten Kringel, die auf einen Übergang zu einem Supraleiter hindeuteten.

„Das ist eine Live-Messung, die wir gerade durchführen“, sagte Dr. Dias.

In der Arbeit berichteten die Forscher, dass die rosafarbenen Kristalle bei Temperaturen von bis zu 70 Grad Fahrenheit wichtige Eigenschaften von Supraleitern aufwiesen, wie zum Beispiel Nullwiderstand.

„Ich bin vorsichtig optimistisch“, sagte Timothy Strobel, ein Wissenschaftler an der Carnegie Institution for Science in Washington, der nicht an Dr. Dias‘ Studie beteiligt war. „Die Daten in der Zeitung sehen großartig aus.“

„Wenn das real ist, ist das ein wirklich wichtiger Durchbruch“, sagte Paul CW Chu, ein Physikprofessor an der University of Houston, der ebenfalls nicht an der Forschung beteiligt war.

Der „Wenn“-Teil dieses Gefühls dreht sich jedoch um Dr. Dias, der von Zweifeln und Kritik verfolgt wird und sogar von einigen Wissenschaftlern beschuldigt wird, er habe einige seiner Daten gefälscht. Die Ergebnisse des Nature-Papiers von 2020 müssen noch von anderen Forschungsgruppen reproduziert werden, und Kritiker sagen, dass Dr. Dias nur langsam andere seine Daten untersuchen oder unabhängige Analysen seiner Supraleiter durchführen ließ.

Die Herausgeber von Nature haben den früheren Artikel letztes Jahr aufgrund der Einwände von Dr. Dias und den anderen Autoren zurückgezogen.

„Ich habe ein wenig Vertrauen in das verloren, was aus dieser Gruppe kommt“, sagte James Hamlin, Professor für Physik an der University of Florida.

Dennoch hat die neue Arbeit den Peer-Review-Prozess derselben Zeitschrift bestanden.

„Die Zurückziehung einer Arbeit schließt einen Autor nicht automatisch von der Einreichung neuer Manuskripte aus“, sagte eine Sprecherin von Nature. „Alle eingereichten Manuskripte werden unabhängig auf der Grundlage der Qualität und Aktualität ihrer wissenschaftlichen Arbeit geprüft.“

Bei der Konferenz am Dienstag in Las Vegas drängten sich so viele Physiker in einem engen Besprechungsraum, dass ein Moderator einige aufforderte, den Raum zu verlassen, damit sie den Vortrag nicht absagen müssten. Als sich der Raum füllte, konnte Dr. Dias seine Ergebnisse ohne Unterbrechung präsentieren. Als er sich beim Publikum bedankte, drückte der Moderator sein Bedauern darüber aus, dass ihnen die Zeit für Fragen ausgegangen sei.

Dr. Strobel erkannte die anhaltende Kontroverse um Dr. Dias und die früheren außergewöhnlichen Behauptungen an, die noch reproduziert werden müssen.

„Ich möchte nicht zu viel hineininterpretieren, aber es könnte hier ein Verhaltensmuster geben“, sagte Dr. Strobel. „Er könnte wirklich der beste Hochdruckphysiker der Welt sein, der kurz davor steht, den Nobelpreis zu gewinnen. Oder da ist noch etwas anderes im Gange.“

Die Supraleitung wurde 1911 von Heike Kamerlingh Onnes, einem niederländischen Physiker, und seinem Team entdeckt. Supraleiter transportieren nicht nur Strom praktisch ohne elektrischen Widerstand, sondern besitzen auch die seltsame Fähigkeit, die als Meissner-Effekt bekannt ist und dafür sorgt, dass im Inneren des Materials kein Magnetfeld vorhanden ist .

Die ersten bekannten Supraleiter erforderten Temperaturen von nur wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt oder minus 459,67 Grad Fahrenheit. In den 1980er Jahren entdeckten Physiker sogenannte Hochtemperatur-Supraleiter, doch selbst diese wurden unter weitaus kälteren Bedingungen supraleitend als im alltäglichen Gebrauch.

Die Standardtheorie zur Erklärung der Supraleitung besagt, dass Wasserstoff bei höheren Temperaturen supraleitend sein sollte, wenn er stark genug komprimiert werden könnte. Aber selbst die widerstandsfähigsten Diamanten zerbrechen, bevor sie einem Druck dieser Größenordnung ausgesetzt sind. Wissenschaftler begannen, Wasserstoff in Mischung mit einem anderen Element zu untersuchen, und vermuteten, dass die chemischen Bindungen dazu beitragen könnten, die Wasserstoffatome zu komprimieren.

Im Jahr 2015 berichtete Mikhail Eremets, Physiker am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz, dass Schwefelwasserstoff – ein Molekül bestehend aus zwei Wasserstoffatomen und einem Schwefelatom – bei minus 34 Grad Fahrenheit supraleitend wurde, wenn es auf etwa 22 Millionen komprimiert wurde Pfund pro Quadratzoll. Das war damals eine Rekordtemperatur für einen Supraleiter.

Anschließend entdeckten Dr. Eremets und andere Wissenschaftler, dass Lanthanhydrid – eine Verbindung, die Wasserstoff und Lanthan enthält – bei ultrahohen Drücken eine supraleitende Temperatur von minus 10 Grad Fahrenheit erreicht.

In der im zurückgezogenen Papier von 2020 beschriebenen Forschung verwendete Dr. Dias‘ Gruppe Wasserstoff, Schwefel und Kohlenstoff. Mit drei Elementen, sagten die Wissenschaftler, konnten sie die elektronischen Eigenschaften der Verbindung anpassen, um eine höhere supraleitende Temperatur zu erreichen.

Das glaubten jedoch nicht alle.

Der Hauptgegner von Dr. Dias ist Jorge Hirsch, ein theoretischer Physiker an der University of California in San Diego. Er konzentrierte sich auf die Messungen, die die Gruppe von Dr. Dias zur Reaktion der Kohlenstoff-Schwefel-Wasserstoff-Verbindung auf oszillierende Magnetfelder durchgeführt hatte, ein Beweis für den Meissner-Effekt. Die Darstellung in der Arbeit schien zu ordentlich, und die Wissenschaftler erklärten nicht, wie sie Hintergrundeffekte in der Darstellung herausgezogen hatten.

Als Dr. Dias die zugrunde liegenden Rohdaten veröffentlichte, deutete seine Analyse darauf hin, dass sie durch eine mathematische Formel generiert worden seien und nicht tatsächlich in einem Experiment gemessen werden könnten, sagte Dr. Hirsch. „Aus einer Messung erhält man keine analytischen Formeln“, sagte Dr. Hirsch. „Mit Rauschen erhält man Zahlen.“

Seine Beschwerden über Dr. Dias wurden so hartnäckig und laut, dass andere Fachleute einen Brief in Umlauf brachten, in dem sie sich über jahrzehntelanges störendes Verhalten von Dr. Hirsch beschwerten.

Dr. Hirsch ist ein Bulle-im-China-Laden-Gegner, der sich mit der BCS-Theorie beschäftigt, die 1957 von drei Physikern – John Bardeen, Leon N. Cooper und J. Robert Schrieffer – entwickelt wurde, um zu erklären, wie Supraleitung funktioniert. BCS, sagt er, sei möglicherweise in vielerlei Hinsicht „grundsätzlich fehlerhaft“ und nicht in der Lage, den Meissner-Effekt zu erklären. Er hat seine eigene alternative Erklärung gefunden.

Insbesondere hat Dr. Hirsch gesagt, dass es in keinem dieser Hochdruckmaterialien Supraleitung geben kann, da Wasserstoff kein Supraleiter sein kann. Er hat nur wenige Verbündete gewonnen.

Während Dr. Hirsch vorsichtig betont, dass andere Wissenschaftler als Dr. Dias kein Fehlverhalten begehen, sagt er, dass sie sich selbst etwas vormachen.

„Meiner Meinung nach wird der Müll zu Schlussfolgerungen“, sagte er.

Dr. Hamlin von der University of Florida befasste sich ebenfalls intensiv mit den magnetischen Messungen und sagte, es sähe eher so aus, als seien die Rohdaten aus den veröffentlichten Daten abgeleitet worden und nicht umgekehrt.

Dr. Hamlin war auch beunruhigt, als er feststellte, dass mehrere Passagen aus seiner 2007 verfassten Doktorarbeit wörtlich in der Dissertation von Dr. Dias aufgetaucht waren.

Dr. Dias weist die anhaltende Kritik zurück und sagt, seine Gruppe habe Erklärungen geliefert. „Ich hatte einfach das Gefühl, dass es nur Hintergrundgeräusche waren“, sagte er. „Wir versuchen, unsere Wissenschaft weiter voranzutreiben.“

Er sagte, dass er immer noch an den früheren Ergebnissen festhalte und dass in der Zeitung vom Mittwoch eine neue Technik für die magnetischen Messungen verwendet werde. Er sagte, dass das Papier fünf Prüfungsrunden durch die Gutachter durchlaufen habe und dass alle Rohdaten, die den Ergebnissen zugrunde lägen, weitergegeben würden.

„Es ist wieder zurück in der Natur“, sagte Dr. Dias. „Das sagt dir also etwas.“

Sara Miller, eine Sprecherin der University of Rochester, sagte, dass nach zwei Untersuchungen der Universität „festgestellt wurde, dass es keine Beweise gab, die die Bedenken stützten“. Sie sagte auch, dass die Universität „die Angelegenheit der Rücknahme des Nature-Papiers im September 2022 geprüft habe und zu dem gleichen Schluss gekommen sei.“

Dr. Dias sagte, er hätte den Text aus Dr. Hamlins Doktorarbeit kopieren sollen und Zitate einschließen sollen. „Es war mein Fehler“, sagte Dr. Dias.

Ein Vorabdruck, der die Messungen des Kohlenstoff-Schwefel-Wasserstoff-Materials aus dem zurückgezogenen Papier von 2020 wiederholt, ist derzeit im Umlauf, aber selbst das wirft Fragen auf. „Sie weichen erheblich von den ursprünglichen Messungen ab“, sagte Dr. Strobel. „Man könnte argumentieren, dass sie die Ergebnisse nicht einmal selbst reproduziert haben.“

Da das neue Material auf Lutetiumbasis bei viel geringeren Drücken supraleitend ist, können viele andere Forschungsgruppen versuchen, das Experiment zu reproduzieren. Dr. Dias sagte, er wolle ein genaueres Rezept für die Herstellung der Verbindung bereitstellen und Proben weitergeben, aber zunächst müssten Fragen des geistigen Eigentums geklärt werden. Er hat ein Unternehmen namens Unearthly Materials gegründet, das die Forschung in Gewinne umwandeln will.

Dr. Strobel sagte, er werde mit der Arbeit beginnen, sobald er von der Konferenz in Las Vegas zurückkomme. „Wir können buchstäblich innerhalb eines Tages ein Ergebnis haben“, sagte er.

Dr. Hirsch sagte auch, dass er schnelle Antworten erwarte. „Wenn das richtig ist, beweist es, dass meine Arbeit der letzten 35 Jahre falsch ist“, sagte er. „Darüber würde ich mich sehr freuen, denn ich wüsste es.“

Dr. Hirsch fügte hinzu: „Aber ich denke, ich habe recht und das ist falsch.“

Kimberley McGee steuerte eine Berichterstattung aus Las Vegas bei.

In einer früheren Version dieses Artikels wurde der Druck, bei dem ein Material supraleitend wird, falsch angegeben. Es sind 145.000 Pfund pro Quadratzoll, nicht 14.500.

In einer früheren Version dieses Artikels wurde Jorge Hirsch falsch zitiert. Dr. Hirsch sagte, die BCS-Theorie könnte „grundsätzlich fehlerhaft“ sein. Er sagte nicht, dass es „eine Lüge“ sei.

Wie wir mit Korrekturen umgehen

Kenneth Chang ist seit 2000 bei The Times und schreibt über Physik, Geologie, Chemie und die Planeten. Bevor er Wissenschaftsjournalist wurde, war er ein Doktorand, dessen Forschung sich mit der Kontrolle des Chaos befasste. @kchangnyt

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