Supraleitung „beschädigt“, während Forscher versuchen, die Rückzüge hinter sich zu lassen – Physics World

„Ich werde zum ersten Mal ein neues Material vorstellen.“ Das sagte der Physiker der kondensierten Materie Ranga Dias in einen überfüllten Konferenzraum im März-Treffen der American Physical Society Anfang des Jahres in Las Vegas. Bei dem fraglichen Material handelte es sich um stickstoffdotiertes Lutetiumhydrid oder Lu-N-H, und Dias beschrieb weiterhin Messungen, in denen er behauptete, Beweise für Supraleitung bei bemerkenswerten 294 K (laue 20 °C) unter einem Druck von 1 GPa (10 °C) gesehen zu haben kbar).

Dias, der an der Universität von Rochester in den USA arbeitet, behauptete, viele Anzeichen von Supraleitung beobachtet zu haben, wie z. B. den Abfall des elektrischen Widerstands auf Null bei einer bestimmten Übergangstemperatur und das Ausstoßen magnetischer Feldlinien durch das Material. Er und seine Kollegen haben auch die spezifische Wärme der Probe gemessen, die bei der Übergangstemperatur eine charakteristische Reaktion zeigte.

Ihre Entdeckung schien den Höhepunkt einer jahrhundertelangen Suche in der Physik der kondensierten Materie zu markieren: der Suche nach Materialien, die unter Umgebungsbedingungen supraleitend sind. Doch nach dem Vortrag sprach niemand ein Wort und es gab keine wilde Feier. Dias beendete einfach seinen Vortrag und reichte das Mikrofon an den nächsten Redner weiter.

Ein Zuschauer fragte, ob es Fragen gäbe. „Wir haben keine Zeit“, antwortete die Sitzungsleiterin Minta Akin vom Lawrence Livermore National Laboratory und ihre Antwort wurde mit einem hörbaren Stöhnen im Raum beantwortet.

Die Atmosphäre schien ganz anders zu sein als bei einem früheren APS-Märztreffen im Jahr 1987 – dem berühmten „Woodstock der Physik“ in New York City, das kurz nach der Entdeckung der ersten Hochtemperatur-Supraleiter stattfand.

Damals waren die Physiker Georg Bednorz und Alexander Müller hatte die Welt der Festkörperphysik in Aufruhr versetzt, nachdem er im Jahr zuvor entdeckt hatte, dass ein Material, das Kupferoxid, Lanthan und Barium enthält, bei etwa 35 K supraleitend wird. Das war etwa 50 % mehr als der bisherige Rekord von 23 K, der höher erreicht worden war als ein Jahrzehnt zuvor in Niob-Germanium (Nb₃Ge).

Die neuen „Cuprat“-Materialien sorgten für großes Aufsehen, weil sie keine Metalle, sondern Isolatoren waren und die Möglichkeit boten, neue Stöchiometrien und Verbindungen zu finden, die möglicherweise noch höhere Übergangstemperaturen erreichen könnten.

Ein Raumtemperatur-Supraleiter war der heilige Gral und weckte die Hoffnung auf ein breites Anwendungsspektrum, von hocheffizienten Energienetzen bis hin zu medizinischen Anwendungen, die leistungsstarke Magnete erfordern.

Bednorz und Müller erhielten später für ihre Entdeckung 1987 den Nobelpreis für Physik und in den folgenden Jahrzehnten schufen Forscher neue Verbindungen auf Cupratbasis, die Übergangstemperaturen von 133 K bei Umgebungsdruck und 166 K bei einem Druck von etwa 30 GPa erreichten.

Von Cupraten bis zu Hydriden

Während die Kupraten die gewesen waren de facto Während wir in den letzten Jahrzehnten die Könige der Supraleitung waren, begann sich das Mitte der 2010er Jahre zu ändern. Im Jahr 2015 Michail Eremets und Kollegen vom Max-Planck-Institut für Chemie und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, beide in Deutschland, beobachteten Supraleitung bei 203 K in einer Probe von Schwefelwasserstoff.

Obwohl das Material auf 150 GPa komprimiert werden musste (Natur 525 73), im Jahr 2018 eine Gruppe unter der Leitung von Russel Hemley, damals an der George Washington University in den USA, berichtete über Supraleitung bei 260 K in Lanthan-Superhydrid, wenn auch immer noch unter Drücken von über 180 GPa, eine Arbeit, die 2019 veröffentlicht wurde (Physik. Rev. Lett. 122 027001).

Im selben Jahr berichtete das Team von Eremets über Supraleitung bei Temperaturen von bis zu 250 K  in Lanthanhydrid bei 170 GPa (Natur 569 528).

Die Arbeit an diesen sogenannten binären Hydriden – Verbindungen, die Wasserstoff und ein weiteres Element wie Schwefelwasserstoff enthalten – löste einen „Goldrausch“ bei der Suche nach Hochtemperatursupraleitern aus.

Am aufregendsten war jedoch, dass sie vollständig auf der Grundlage von First-Principles-Berechnungen vorhergesagt wurden und die Theorie nahezu perfekt mit dem Experiment übereinstimmte.

Das rücksichtslose Verhalten von Dias hat dem Ruf des Fachgebiets geschadet und es kann einige Jahre dauern, bis der Schaden behoben ist

Lilia Boeri

„Die Hydride waren nach den Cupraten wahrscheinlich die aufregendste Entdeckung in der Supraleitung und eine erstaunliche Erfolgsgeschichte des Zusammenspiels von Theorie und Experiment“, sagt der theoretische Physiker Lilia Boeri von der Universität Rom La Sapienza.

Dias und seine Kollegen stiegen im Jahr 2020 in das Spiel der Hochtemperatur-Supraleitung ein. Dias‘ Gruppe nutzte seine Erfahrung beim Auspressen von Wasserstoff auf hohen Druck (siehe Kasten unten). veröffentlichte einen Artikel über kohlenstoffhaltiges Schwefelhydrid das behauptete, bei 288 K und einem Druck von etwa 260 GPa Supraleitung zu zeigen (Natur 586 373).

Etwa zur gleichen Zeit war Dias Mitbegründer eines Unternehmens – Unearthly Materials – zur Kommerzialisierung von Raumtemperatur-Supraleitern, und in diesem Jahr wurde die Arbeit mit einem Preis ausgezeichnet 2020 Physik-Welt Durchbruch des Jahres.

Im Jahr 2021 wurde Dias sogar zum ernannt TIME100 Der nächste Innovator für seine Arbeit. „Um es klar zu sagen: Hoverboards, Magnetschwebebahnen und widerstandsfreie Stromleitungen werden weder dieses noch nächstes Jahr kommen“, bemerkte er Uhrzeit Zeitschrift. „Aber dank RangaDias sind sie sich näher als je zuvor.“  

Doch nicht alles war so, wie es schien. Im Jahr 2021 äußerten Forscher Bedenken hinsichtlich einiger Datenverarbeitungen in der Arbeit, insbesondere der Art und Weise, wie ein Hintergrund von den Widerstandsmessungen abgezogen wurde, um zu zeigen, dass die Probe nach der Übergangstemperatur auf den Widerstand Null fällt.

Die Temperatur steigt

Dann, im September 2022, die Gruppe Natur Papier wurde zurückgezogen. „Wir haben nun festgestellt, dass einige wichtige Datenverarbeitungsschritte – nämlich die Hintergrundsubtraktionen, die auf die Rohdaten angewendet wurden, die zur Erstellung der Diagramme der magnetischen Suszeptibilität verwendet wurden – ein nicht standardmäßiges, benutzerdefiniertes Verfahren verwendeten“, heißt es in einem redaktionellen Update der Autoren des Originalpapiers.

Alle neun Autoren des Papiers waren mit der Entscheidung von nicht einverstanden Natur zurückzuziehen, obwohl die University of Rochester drei interne Untersuchungen eingeleitet hat, von denen zwei im Mai 2022 abgeschlossen wurden und eine weitere nach dem Widerruf. Rochester gab bekannt, dass die Untersuchungen keine Hinweise auf ein Fehlverhalten ergeben hätten, diese jedoch nicht veröffentlicht hätten Ausführliche Informationen zu den Anfragen.

Dias ließ sich nicht beirren und sagte nach seinem Vortrag beim diesjährigen APS-Treffen: Die Arbeit seines Teams zu Lu-N-H wurde veröffentlicht, wieder in Natur (615 244).

Im April a Patent, in dem Dias als Erfinder aufgeführt ist, wurde veröffentlicht (obwohl im April 2022 eingereicht) für ein Lutetiumhydrid-Material, das bei Raumtemperatur supraleitend sein kann. Es wurden jedoch keine Angaben zur genauen Stöchiometrie des Materials gemacht. Aber genau wie beim 2020 Natur In der neuen Studie wurden Fragen zur Hintergrundsubtraktion aufgeworfen.

Es gab auch Bedenken, dass die angegebene Erfolgsquote bei der Messung der Supraleitung bei hohen Temperaturen in Lu-N-H-Proben nur etwa 35 % betrug, obwohl man hoffen würde, dass alle nach einem bestimmten Rezept hergestellten Proben supraleitend wären, um die Reproduzierbarkeit zu verbessern.

Ich bin immer noch der Meinung, dass die Hydrid-Supraleitung gute Chancen hat, bei Umgebungsbedingungen irgendwann einen Supraleiter zu ergeben

David Ceperley

Und als andere Forscher versuchten, die Ergebnisse zu reproduzieren, scheiterten sie. Di Peng vom Institut für Festkörperphysik in Hefei, China, und Kollegen fanden beispielsweise einige Anzeichen eines Übergangs bei etwa 240 K, vermuten jedoch, dass sie nicht auf Supraleitung hinweisen (arXiv: 2307.00201).

Auch Theoretiker, die versuchten, die Hochtemperatursupraleitung zu erklären, hatten Schwierigkeiten. Boeri und Kollegen zeigten kürzlich, dass sie nicht nur keine einzige Verbindung im Lu-N-H-Phasendiagramm identifizieren konnten, die Dias‘ außergewöhnliche Behauptungen erklären könnte, sondern auch, dass Lu-N-H-Hydride intrinsisch Tieftemperatursupraleiter sind (Naturkommun. 14 5367). „Es gibt kein einziges theoretisches Papier, das eine plausible Erklärung für Dias’ Ergebnisse findet“, sagt sie.

Unterstützung für Dias‘ Arbeit kam jedoch von Hemley, der jetzt an der University of Illinois Chicago studiert. Nachdem Hemley und Kollegen von Dias‘ Team vorbereitetes Material erhalten hatten, maßen sie den elektrischen Widerstand der Proben unter verschiedenen Drücken und fanden Hinweise auf eine Supraleitung von bis zu 276 K bei 15 kbar (arXiv: 2306.06301).

„Unsere Messungen stimmen hervorragend mit den Berichten überein Natur Papier“, sagte Hemley Physik-Welt. „Darüber hinaus ist das Ausmaß des Rückgangs sogar noch größer als das der früheren Daten.“

Hemley sagt, dass die von ihm und seinen Kollegen durchgeführten theoretischen Analysen zeigen, dass die elektronische Struktur von Lu-N-H „bemerkenswert“ ist (arXiv: 2305.18196).

„Angesichts dieser anhaltenden Entdeckungen bleibt die Suche nach Supraleitern, die bei oder sogar über Raumtemperatur funktionieren, zusammen mit der Suche nach der Stabilisierung dieser Materialien in der Nähe des Umgebungsdrucks sehr spannend“, fügt er hinzu.

Die Wissenschaft wird leiden, wenn es uns nicht gelingt, die akademische Integrität zu wahren

Aber es gab noch weitere schlechte Nachrichten für Dias. Am 1. September 2023 Natur veröffentlicht eine Anmerkung des Herausgebers macht die Leser darauf aufmerksam, dass Dias‘ Lu-N-H-Artikel untersucht wird.

„Die Zuverlässigkeit der in diesem Manuskript präsentierten Daten ist derzeit fraglich.“ Natur sagte. „Sobald diese Angelegenheit geklärt ist, werden entsprechende redaktionelle Maßnahmen ergriffen.“

Laut einem Bericht in der Wall Street Journal Ende September hatten acht der elf Autoren des Lu-N-H-Papiers an Tobias Rödel geschrieben, einen leitenden Redakteur bei Natur, forderte die Zurückziehung des Papiers und behauptete, dass Dias „bei der Erstellung und Einreichung des Manuskripts nicht in gutem Glauben gehandelt hat“.

Offenbar antwortete Rödel innerhalb weniger Tage darauf: „Wir sind mit Ihrer Forderung, das Papier zurückzuziehen, voll und ganz einverstanden.“ Bisher sind Dias und zwei seiner aktuellen Doktoranden die einzigen Forscher, die an ihren Erkenntnissen festhalten.

David Ceperley von der University of Illinois, der einen verfasst hat News & Views-Artikel für Natur über die Lu-N-H-Ergebnisse sagt, er sei darüber „enttäuscht“. Natur Ich habe die Arbeit von vornherein nicht besser durchgesehen.

„Uns wurde nur das angenommene Manuskript zur Verfügung gestellt, nicht aber die Datendateien oder Gutachterkommentare“, sagt er. „Erst nachdem das Papier herauskam, erfuhren wir von einigen Problemen, die schon früher hätten festgestellt werden können.“

bewegen Sie sich auf

Was mit der Gruppe von Dias passieren wird, ist unbekannt. Im August die University of Rochester kündigte an, dass es die Arbeit von Dias erneut untersucht, obwohl unbekannt ist, wann diese Untersuchung abgeschlossen sein wird. „Leider hat Dias‘ rücksichtsloses Verhalten dem Ruf des Fachgebiets geschadet und es kann einige Jahre dauern, bis der Schaden behoben ist“, sagt Boeri.

Diese Ansicht wird von Physikern der kondensierten Materie unterstützt James Hameln von der University of Florida, der einige Arbeiten von Dias‘ Gruppe untersuchte. „Ich denke, dass die ganze Saga der Wissenschaft im Allgemeinen schadet und die Supraleitungsforschung noch mehr schadet und im weiteren Sinne der Treibstoff für Anti-Wissenschaftler ist“, sagte er Physik-Welt. „Es könnte Auswirkungen auf die Finanzierung der Hochdruckforschung haben, und das wäre bedauerlich, wenn man bedenkt, dass es sich um ein so fruchtbares Gebiet mit so vielen aufregenden jüngsten Entwicklungen handelt.“

Hamlin ist außerdem der Meinung, dass wissenschaftliche Forschungszeitschriften ihre Kommunikation erweitern sollten, um alle Autoren des Artikels und nicht nur den entsprechenden Autor einzubeziehen, wenn potenzielles Fehlverhalten in der Forschung zur Sprache kommt. „Alle Autoren sind einem potenziellen Rufschaden durch einen Fehlverhaltensvorwurf ausgesetzt, daher sollten alle Autoren von Anfang an in die relevanten Mitteilungen der Herausgeber eingeweiht sein“, fügt er hinzu.

Trotz dieser Probleme schreitet die Arbeit an den Hydriden voran. Im Juli fanden Guangtao Liu von der Universität Jilin, China, und Kollegen Supraleitung bis zu 110 K bei einem Druck von 80 GPa im ternären Hydrid LaBeH₈ (Physik. Rev. Lett. 130 266001).

Endlich kommt der Raumtemperatur-Supraleiter, ein Rätsel um den Detektor für Dunkle Materie

Obwohl diese Temperatur nicht so hoch ist, sind diese ternären Verbindungen spannend, weil sie eine größere potenzielle Strukturvielfalt aufweisen als ihre binären Cousins, was die für die Hochtemperatursupraleitung verfügbaren Materialien erweitern könnte. „Das Gebiet [der Hydridforschung] ist gesund und hat das Potenzial, in Zukunft noch viele weitere bahnbrechende Ergebnisse zu liefern“, fügt Boeri hinzu.

Ceperley stimmt zu. „Ich bin immer noch der Meinung, dass die Hydrid-Supraleitung gute Chancen hat, irgendwann bei Umgebungsbedingungen einen Supraleiter zu liefern, der weitreichende technologische Anwendungen hätte“, bemerkt er. „Der Bereich möglicher Verbindungen und Herstellungsmethoden ist so groß, dass es einige Zeit dauern kann, sie zu finden.“

Was Dias betrifft, so lehnte er es ab, zu diesem Artikel Stellung zu nehmen, obwohl er in früheren Medienkommentaren sagte, dass er zu seinen Ergebnissen stehe.

Im Juli Physik-Welt bot sogar an, ein Interview mit Dias zu veröffentlichen, und schickte ihm per E-Mail eine Reihe schriftlicher Fragen 30 Punkt, eine in den USA ansässige PR-Agentur, die im Auftrag von Dias handelt. Obwohl Dias sich bereit erklärt hatte, die Fragen zu beantworten, zog er sich später aus dem Interview zurück.

Physik-Welt hat inzwischen erfahren, dass 30 Point nicht mehr mit Dias funktioniert.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/superconductivity-damaged-as-researchers-look-to-move-on-from-retractions/