In einem vollgepackten Vortrag am Dienstagnachmittag beim jährlichen Märztreffen der American Physical Society in Las Vegas, Ranga Dias, ein Physiker an der University of Rochester, gab bekannt, dass er und sein Team einen jahrhundertealten Traum auf diesem Gebiet verwirklicht haben: einen Supraleiter, der bei Raumtemperatur und nahezu Zimmerdruck arbeitet. Das Interesse an der Präsentation war so groß, dass das Sicherheitspersonal mehr als fünfzehn Minuten vor dem Vortrag den Zutritt zum überfüllten Raum stoppte. Man konnte hören, wie sie neugierige Zuschauer verscheuchten, kurz bevor Dias zu sprechen begann.

Die Ergebnisse, heute veröffentlicht in Natur, scheinen zu zeigen, dass ein herkömmlicher Leiter – ein Feststoff aus Wasserstoff, Stickstoff und dem Seltenerdmetall Lutetium – in ein makelloses Material umgewandelt wurde, das Elektrizität mit perfekter Effizienz leiten kann.

Während die Ankündigung von einigen Wissenschaftlern mit Begeisterung aufgenommen wurde, sind andere weitaus vorsichtiger und verweisen auf die umstrittene Geschichte der Forschungsgruppe wegen angeblicher Fehlverhalten in der Forschung. (Dias bestreitet die Anschuldigungen entschieden.) Reaktionen von 10 unabhängigen Experten, die von kontaktiert wurden Wie viel reichten von ungezügelter Aufregung bis hin zu völliger Ablehnung, wobei viele der Experten eine Art vorsichtigen Optimismus zum Ausdruck brachten.

Bisher wurde Supraleitung nur bei kalten Temperaturen oder Erdrückungsdrücken beobachtet – Bedingungen, die diese Materialien für lang ersehnte Anwendungen wie verlustfreie Stromleitungen, schwebende Hochgeschwindigkeitszüge und erschwingliche medizinische Bildgebungsgeräte unpraktisch machen. Die neu geschmiedete Verbindung leitet den Strom bei 21 Grad Celsius und einem Druck von etwa 69.8 Gigapascal widerstandslos. Das ist immer noch viel Druck – etwa das Zehnfache des Drucks an der tiefsten Stelle im Marianengraben – aber es ist mehr als 1 Mal weniger intensiv als der Druck, der in früheren Experimenten mit ähnlichen Materialien erforderlich war.

„Wenn sich herausstellt, dass es richtig ist, ist es möglicherweise der größte Durchbruch in der Geschichte der Supraleitung“, sagte er James Hameln, ein Physiker an der University of Florida, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Wenn es wahr ist, sagte er, „ist es eine weltbewegende, bahnbrechende, sehr aufregende Entdeckung.“ Aber Vorfälle, die die frühere Arbeit des Teams betreffen – einschließlich, aber nicht beschränkt auf ein Anspruch auf Supraleitung nahe Raumtemperatur veröffentlicht Natur im Jahr 2020 und Ende letzten Jahres zurückgezogen – haben einen Schatten auf die heutige Ankündigung geworfen. „Es ist schwer, sich nicht zu fragen, ob einige der gleichen Probleme, die in früheren Arbeiten nicht angesprochen wurden, auch in der neuen Arbeit existieren“, sagte Hamlin.

Alle Benchmarks schlagen

Seit mehr als einem Jahrhundert wissen Wissenschaftler, dass das Abkühlen der meisten Metalle auf Temperaturen innerhalb weniger Grad des absoluten Nullpunkts eine dramatische Metamorphose mit sich bringt. Um diese „kritische Temperatur“, die von Material zu Material unterschiedlich ist, paaren sich Elektronen und bilden eine Art Quantenflüssigkeit. Sobald dies geschieht, prallen Elektronen nicht mehr auf Atome im Material – Wechselwirkungen, die Widerstand erzeugen – wodurch sie ohne Energieverlust fließen können.

Das übergeordnete Ziel der Supraleitungsforschung ist seitdem die Erhöhung der kritischen Temperatur.

Jahrzehntelang haben Physiker schrittweise Fortschritte gemacht und die kritische Temperatur stetig erhöht, indem sie verschiedene Kombinationen von Elementen getestet haben. Eine vielversprechende Klasse von Materialien, bekannt als Hydride, ist in den letzten Jahren aufgetaucht. Hydride sind Verbindungen, die den federleichten Wasserstoff mit schwereren Atomen wie Schwefel oder Metallen verbinden. Je mehr Wasserstoff, desto besser für die Supraleitung, glauben Physiker. Forscher fügen manchmal einen Staub aus anderen Atomen wie Kohlenstoff oder Stickstoff hinzu, um seine Eigenschaften weiter zu optimieren. Das erste supraleitende Hydrid, in 2015 berichtet, traf seinen Übergang bei etwa minus 70 Grad Celsius und einem Druck von 155 Gigapascal (was ungefähr der Hälfte des Erdkerns entspricht). Innerhalb von drei Jahren dieselbe Gruppe und ein anderer beide haben noch mehr wasserstoffreiche „Superhydrid“-Materialien hergestellt, die bis zu minus 13 Grad Celsius und bei 190 Gigapascal supraleitend sein können.

Die neue Studie bricht alle bisherigen Rekorde. In den vergangenen Jahren hat das Team von Dias an einem Superhydrid auf Lutetiumbasis gearbeitet. Um eine Probe herzustellen, tauchte das Team einen dünnen Lutetiumfilm in ein Parfüm aus 99 % Wasserstoff und 1 % Stickstoff, während es einige Tage bei 200 Grad Celsius gebacken wurde. Eine Diamantambosszelle würde dann die Probe mit einem Druck von 2 Gigapascal komprimieren. Das Team löste dann schrittweise den Amboss, während es die Probe auf supraleitende Eigenschaften testete. Dias sagte, dass sie bei Hunderten von hergestellten Proben Supraleitung in Dutzenden von Proben beobachten konnten, selbst nachdem der Druck auf etwa 1 Gigapascal gesenkt worden war.

Um die Supraleitung zu demonstrieren, erreichte das Team drei Lehrbuch-Benchmarks. Bei der kritischen Temperatur zeigten sie einen Widerstandsabfall und einen Spitzenwert in einer Eigenschaft, die damit zusammenhängt, wie schnell sich ein Material erwärmt. Dem Team gelang es auch, die Ausstoßung eines Magnetfelds aus den Proben direkt zu messen – eine eindeutige Signatur für die Supraleitung, die als Meissner-Effekt bezeichnet wird und noch nie zuvor in einem Superhydrid überzeugend demonstriert wurde. Seltsamerweise änderte sich auch die Farbe der Probe synchron mit ihren Phasenänderungen von Blau über Pink nach Rot.

Die Diagramme des Papiers sind genau das, wonach Forscher suchen, wenn sie auf Supraleitung testen. Die starken Beweise begeistern viele Wissenschaftler, die jahrzehntelang nach Materialien gesucht haben, die das Phänomen alltäglichen Bedingungen näher bringen können.

„Ich bin wirklich gespannt auf das Ergebnis. Und ich bezweifle in keiner Weise, dass das, was sie beobachten, das ist, was es ist“, sagte er Siddharth Saxena, ein Physiker an der University of Cambridge, der nicht an der neuen Arbeit beteiligt war. Eva Zurek, ein theoretischer Chemiker an der Universität von Buffalo, der oft mit der Rochester-Gruppe kommuniziert, aber auch nicht an der Forschung beteiligt war, sagte, dass ein Material, das unter diesen Bedingungen supraleitend ist, „jeden Aspekt unseres Lebens auf eine Weise beeinflussen würde, die wir uns nicht vorstellen können“. Hamlin stimmt zu, dass die Demonstration „eine Tour de Force für jede Art von Messung ist, die Sie auf diesem Material sehen möchten, und genau die Art von Daten liefert, die Sie sich erhoffen würden.“

Eine unruhige Geschichte

Hamlin und andere Forscher bestehen jedoch darauf, dass die Vergangenheit der Gruppe es erfordert, dass die heutigen historischen Behauptungen auf historischem Niveau geprüft werden.

„Wenn man es für bare Münze nimmt, gibt es hier viele Beweise für Supraleitung“, sagte Jorge Hirsch, Physiker an der University of California in San Diego. „Aber ich glaube nichts von dem, was diese Autoren sagen. Ich bin überhaupt nicht verkauft.“

Hirsch sagte, sein Misstrauen rühre von einer langen Geschichte von Vorwürfen wegen Fehlverhaltens in der Forschung her, die gegen frühere und aktuelle Mitglieder der Gruppe erhoben wurden, von denen er viele vorgebracht habe. Zuletzt veröffentlichten Dias und seine Co-Autoren im Jahr 2020 eine Studie über ein kohlenstoffhaltiges Schwefelhydrid (CSH), das seinen kritischen Übergang bei etwa 14 Grad Celsius (57.2 Grad Fahrenheit) und 267 Gigapascal erreichte. Fast sofort entdeckte eine Handvoll Experten ungewöhnliche Muster in den Daten, die verwendet wurden, um die Reaktion des Materials auf Magnetfelder zu verifizieren. Als Dias und sein häufiger Mitarbeiter Aschkan Salamat, ein Physiker an der University of Nevada, Las Vegas, veröffentlichten ihre Rohdaten ein Jahr später in Form von a 149-Seiten-Dokumentbeschrieben sie eine ungewöhnliche und komplizierte Methode zur Eliminierung magnetischer Hintergrundstörungen – eine, von der sie sagten, dass sie notwendig sei, um das winzige Magnetfeld zu erkennen, das von der kleinen Probe zurückgewiesen wird. Diese Methode stimmte nicht mit der Beschreibung des Verfahrens in der Originalarbeit überein, die führte Natur September letzten Jahres einen Widerruf auszustellen.

Hirsch und andere Physiker behaupten, dass das Fehlverhalten über eine irreführende Verwechslung bezüglich des magnetischen Hintergrunds hinausgehe. Im September, Hirsch und Dirk van der Marel, emeritierter Professor der Universität Genf, eine Behauptung veröffentlicht dass das, was Dias und Salamat als CSH-Rohdaten veröffentlicht hatten, tatsächlich aus den veröffentlichten Daten abgeleitet wurde. „[Wir] haben im Grunde mathematisch bewiesen, dass die Rohdaten nicht im Labor gemessen werden; sie sind fabriziert“, sagte Hirsch. Hamlin unabhängig freigelassen ein Preprint im vergangenen Oktober behauptete, dass die Daten zum elektrischen Widerstand offenbar auch auf nicht offengelegte Weise verarbeitet worden seien – eine neue Behauptung zu dem Problem, das zum Widerruf von 2022 führte.

Dias verteidigt seine Arbeit energisch. In den Monaten seit dem Rückzug hat Dias zusätzliche Experimente mit dem CSH-Material in den Argonne und Brookhaven National Laboratories durchgeführt. In diesen lud er unabhängige Wissenschaftler ein, den supraleitenden Übergang des Materials zu beobachten. Er reichte kürzlich ein neues Manuskript zu Natur das die Behauptung der Hochtemperatur-Supraleitung in CSH mit Strenge wiederholt, wird, wie er betont, frühere Behauptungen zerstreuen.

„Die Zeugen unserer Arbeit haben unsere Entdeckung bestätigt. Wir haben CSH-Arbeiten zur Erzielung von Supraleitung demonstriert, ebenso wie ‚rote Materie‘“, sagte Dias und bezog sich auf das informelle Gespräch der Gruppe. Star Trek–inspirierter Name für das neue Material auf Lutetiumbasis. „Sie können den Beweisen entweder glauben oder nicht – aber Sie können sie nicht ignorieren.“

Niles Salke, ein Physiker an der University of Illinois, Chicago, der bei den neuen Messungen assistierte und nicht an der Forschung von 2020 beteiligt war, sagte, dass „die neue Arbeit die Supraleitung in CSH bestätigt“. Er nannte die Entdeckung des neuen Lutetium-Materials „bemerkenswert“ und fügte hinzu, dass es „ein wichtiger Meilenstein auf dem Gebiet der Supraleitung“ sei.

Doch das CSH-Papier ist nicht die einzige verwandte Arbeit, die unter Beschuss steht. Ein Co-Autor des CSH-Papiers, Mathew Debessai, war der erste Autor auf a 2009 Studie Behauptung der Supraleitung in einem dritten Material, Europium, das später wegen der Präsentation geänderter Daten zurückgezogen wurde. (Dias war kein Co-Autor dieses Artikels.) Hirsch behauptet, dass in dieser Veröffentlichung „die Daten kopiert und in eine andere Region eingefügt werden“. Anders haben auch argumentiert, dass einige der Daten in einem anderen von Dias' jüngste Papiere wurde aus Daten dupliziert, die aufgenommen wurden, während das Team eine völlig andere Substanz untersuchte.

Dias bestreitet nachdrücklich alle Vorwürfe des Fehlverhaltens und bemüht sich weiterhin, seine Behauptungen, Supraleitung bei alltäglichen Temperaturen und einem fast alltäglichen Druck in der Hochdruckphysik-Community gefunden zu haben, rigoros zu belegen. Er betont, dass die heutige Veröffentlichung, die die Niederdruck-Supraleitung in Lutetiummaterial beschreibt, einem ungewöhnlich strengen Peer-Review-Prozess unterzogen wurde, der mehrere Überprüfungsrunden über fast ein Jahr umfasste. Dias sagte auch, dass er alle seine Rohdaten mit geteilt habe Natur, und dass es zusammen mit dem neuen Ergebnis veröffentlicht wird. Mehrere unabhängige Experten bekundeten ihr Vertrauen NaturFähigkeit, sicherzustellen, dass das Ergebnis so streng wie möglich war.

„Ich bin mir ziemlich sicher, dass Natur Redakteur und Rezensenten müssen sie gegrillt haben, bevor sie ein grünes Signal gegeben haben“, sagte Salke.

„Für mich ist es schwierig, sich einen zweiten Rückzug vorzustellen“, sagte er Michail Eremets, ein Physiker am Max-Planck-Institut für Chemie in Deutschland, der die Entdeckung von Hydrid-Supraleitern leitete. „Wir sollten es trotz der Vorgeschichte ernsthaft in Erwägung ziehen.“

Dias betonte, dass er und seine Kollegen während eines außerordentlich gründlichen Überprüfungsprozesses völlig transparent gewesen seien. „Diesmal haben wir alles gegeben“, sagte er. „Alle Techniken und alles. Gutachter hatten Zugriff auf alle Daten.“

Der bemerkenswerte Überprüfungsprozess hat, wenn er über eine ungewisse Geschichte gelegt wird, einige Forscher in der Schwebe gelassen. „Ich weiß nicht mehr, was ich glauben soll“, sagte van der Marel. „Das ist das ganze Problem.“

Firmung und Handel

Letztendlich wird die Akzeptanz durch die breitere Gemeinschaft von Forschern in den Händen anderer Labore liegen. Werden sie in der Lage sein, das Material zu reproduzieren und seine supraleitenden Eigenschaften zu bestätigen? Es gibt Grund zur Hoffnung, dass eine Antwort relativ schnell kommt.

Während es nur eine Handvoll Gruppen auf der Welt gibt, die mit den unglaublich hohen Diamant-Amboss-Drücken arbeiten könnten, die erforderlich sind, um Supraleitung in CSH zu sehen, gibt es Dutzende von Labors, die im Niederdruckbereich des auf Lutetium basierenden Materials arbeiten können. sagte Hameln. Dias sagte, dass sein Labor in den letzten Monaten an einer Möglichkeit gearbeitet habe, die Diamant-Amboss-Zellen vollständig aus dem Prozess zu entfernen, was die Bemühungen zur Bestätigung des Fundes weiter beschleunigen könnte.

Damit andere Labore die Ergebnisse originalgetreu reproduzieren können, muss die Gruppe bereit sein, ihren gesamten Rohdatensatz zusammen mit detaillierten Probenvorbereitungsmethoden zu teilen oder Proben ihres Materials zum Testen an andere Labore zu senden, sagte Hamlin.

Der Zugriff von außen kann jedoch hinter den Hoffnungen der Community zurückbleiben. Dias und Salamat haben ein Startup gegründet, Überirdische Materialien, die, Dias sagte, hat bereits über 20 Millionen US-Dollar an Finanzmitteln von Investoren gesammelt, darunter die CEOs von Spotify und OpenAI.* Sie haben kürzlich auch ein Patent auf das Lutetiumhydrid-Material beantragt, was sie davon abhalten würde, Proben zu versenden. „Wir haben klare, detaillierte Anweisungen zur Herstellung unserer Proben“, sagte Dias. „Wir werden dieses Material nicht verteilen, in Anbetracht der proprietären Natur unserer Prozesse und der bestehenden geistigen Eigentumsrechte.“ Er schlug vor, dass „bestimmte Methoden und Prozesse“ ebenfalls vom Tisch seien.

„Ohne irgendwelche IP-Gesetze zu brechen, teilen wir gerne, was wir getan haben“, sagte Dias. „Es gibt auch einige Einschränkungen, aber ich denke, wir können etwas ausarbeiten.“

Anmerkung der Redaktion:

In einem Vortrag 2021, organisiert von der Sri Lanka Association for the Advancement of Science and später auf YouTube gepostet, sagte Dias: „Wir haben kürzlich 20 Millionen Dollar gesammelt, nur um uns auf den wissenschaftlichen Teil davon zu konzentrieren. Und das sind die Investoren, die wir für diese Art von Technologie eingesetzt haben.“ In diesem Moment (43:25 im Video) erscheint eine Namensliste auf dem Bildschirm. Unter der Kategorie „Investoren (Serie A)“ sind unter anderem Sam Altman, CEO von OpenAI, und Daniel Ek, Mitbegründer und CEO von Spotify, aufgeführt. Nach der Veröffentlichung dieses Artikels sagte ein Vertreter von Dias gegenüber Quanta dass dies „erstrebenswerte Aussagen“ seien, dass das Unternehmen das Geld nicht aufgebracht habe und dass die aufgeführten Namen potenzielle Investoren seien.

Korrektur: 8. März 2023
In der Originalversion dieses Artikels wurde Nilesh Salke als Postdoktorand identifiziert. Tatsächlich ist er ein wissenschaftlicher Assistenzprofessor.