Superleiterforschung geht voran, trotz Kontroversen über atemberaubende Behauptungen.

Mit seinen kühnen Behauptungen über revolutionäre Supraleiter bei Raumtemperatur hat der Physiker Ranga Dias von der Universität Rochester in New York das Gebiet der Hochdruckphysik ins Rampenlicht gerückt.

Nun gibt es nach zwei zurückgezogenen Veröffentlichungen und Plagiatsvorwürfen eine gewisse Verdachtslage um Dias, und einige Physiker befürchten, dass Außenstehende denken könnten, dass das gesamte Feld in Unordnung ist. "Das große Risiko besteht darin, dass die ganze Sache ... dieses Feld in ein negatives Licht rückt", sagt die theoretische Physikerin Lilia Boeri.

Aber andere Forschungen zu Hochtemperatursupraleitern sind solide, sagen viele Forscher. Mehrere Gruppen haben Schlüsselergebnisse repliziert und theoretische Berechnungen stimmen mit realen Experimenten überein. Physiker erforschen neue Klassen von Supraleitern und bestätigen theoretische Vorhersagen. Die Hoffnung besteht darin, dass solche schrittweisen Fortschritte die Wissenschaftler letztendlich zu einem praktischeren Supraleiter führen werden.

"Das Traurige ist, dass in diesem Bereich viel gute Arbeit geleistet wird, aber diese [Kontroverse] so viel Aufmerksamkeit erregt hat", sagt Boeri von der Universität Sapienza Rom.

Um die wissenschaftliche Legitimität ihrer Behauptungen weiter zu stärken, entwickeln Wissenschaftler nun neue Methoden zur Identifizierung von Supraleitung, debattieren darüber, welche Standards erfüllt sein sollten, bevor man behaupten kann, Supraleitung erreicht zu haben, und diskutieren neue Normen zur Datenfreigabe.

Die Arbeit, so sagen Wissenschaftler, könnte dazu beitragen, dass zukünftige fragwürdige Behauptungen zur Supraleitung abgewehrt werden können, was in der Physik nicht ungewöhnlich ist. "Wir erkennen alle, dass unser Fachbereich Gefahr läuft, von der breiteren wissenschaftlichen Gemeinschaft wegen all der falsch positiven Ergebnisse abgeschrieben zu werden", sagt der theoretische Physiker Peter Hirschfeld von der Universität Florida in Gainesville.

Mit der Fähigkeit, Elektrizität ohne Widerstand zu leiten, versprechen Supraleiter eine Transformation der modernen Technologie - vorausgesetzt, sie können bei Temperaturen und Drücken funktionieren, die für den alltäglichen Gebrauch geeignet sind. Diese verlockende Möglichkeit schürt Hype auf einem in der Regel esoterischen Gebiet der physikalischen Forschung.

Die erste bahnbrechende Behauptung zur Supraleitung aus Dias' Gruppe erfolgte im Jahr 2020. Während die meisten Supraleiter auf sehr kalte Temperaturen gekühlt werden müssen, um zu funktionieren, blieb ein Material aus Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff nach Angaben von Dias und Kollegen in Nature (SN: 14.10.20) bis zu 15° Celsius (59° Fahrenheit) supraleitend.

Dieses Material, wie viele der hochtemperaturbeständigen Supraleiter, musste unter hohem Druck zusammengepresst werden, was bedeutet, dass es für den praktischen Einsatz nicht geeignet war. Dennoch war es angeblich der erste Nachweis für einen lange gesuchten Raumtemperatursupraleiter.

Aber nachdem andere Wissenschaftler Zweifel an den Daten und Methoden geäußert hatten, zog Nature die Veröffentlichung zurück, trotz der Proteste von Dias und den anderen Autoren (SN: 3.10.22).

Im März konterte Dias' Team mit einer noch größeren Behauptung (SN: 7.3.23). Ein Material aus Lutetium, Stickstoff und Wasserstoff ist angeblich bei Raumtemperatur und unter Drücken viel näher an atmosphärischem Druck supraleitend, berichteten sie in Nature.

Unterdessen haben Skeptiker Dias' Vergangenheit durchleuchtet und umfangreiche Plagiatsvorwürfe in seiner Doktorarbeit erhoben, wie in einem Artikel in Science berichtet wurde. Bei den Ermittlungen wurde auch eine von Dias mitverfasste Veröffentlichung von 2021 in Physical Review Letters (PRL) aufgedeckt, die nichts mit den beiden Nature-Artikeln über Supraleitung zu tun hatte. Eine Untersuchung durch PRL ergab Hinweise auf Datenfälschung, berichtete Nature im Juli. Mit Zustimmung aller Autoren außer Dias zog PRL die Publikation am 15. August zurück.

Auf die Rücknahme angesprochen, betonte Dias in einer E-Mail, dass "es keine Datenfälschung, Datenmanipulation oder sonstiges wissenschaftliches Fehlverhalten im Zusammenhang mit unserer Arbeit gegeben hat".

Ein Sprecher der Universität Rochester bestätigte, dass Dias derzeit von der Universität untersucht wird.

Mitten in all dieser Kontroverse könnte man von außen denken, dass das gesamte Feld verdächtig ist, sagt der Physiker Mikhail Eremets vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz. "Aber in Wirklichkeit ist es überhaupt nicht so, denn andere Leute ... leisten wirklich gute, großartige und sehr gut bestätigte [Arbeit]."

Die Hochdruckphysik ist hochspezialisiert, und Experimente, die in einem Labor erfolgreich sind, können anderswo eine Herausforderung darstellen. Aber allmählich hat sich ein Konsens um mehrere Rekord-Supraleiter gebildet.

Die Forschung konzentriert sich auf wasserstoffreiche Materialien, die als Hydride bekannt sind. Diese Wahl wurde durch eine Vorhersage inspiriert, dass reiner Wasserstoff zu einem supraleitenden Metall werden würde, wenn er extremem Druck ausgesetzt würde (SN: 10.8.16). Da diese Drücke schwer zu erreichen waren, fügten Wissenschaftler anderen Elemente Wasserstoff hinzu in der Hoffnung, den benötigten Druck zu verringern.

Der erste große Erfolg war eine Verbindung aus Schwefel und Wasserstoff, die zum damaligen Zeitpunkt den Rekord für den höchsten Temperatursupraleiter brach (SN: 12/15/15). Eremets und Kollegen berichteten 2015 in Nature, dass sie bei Temperaturen von bis zu etwa 203 Kelvin (−70° C) supraleitend ist. Dann, im Jahr 2018, krönten Wissenschaftler den aktuellen Rekordhalter (unter Ausschluss der Arbeit von Dias), eine Verbindung aus Lanthan und Wasserstoff, die bis etwa −20° C supraleitend ist (SN: 9/10/18).

In beiden Fällen haben mehrere Forschergruppen die Ergebnisse bestätigt. Und theoretische Berechnungen bestätigen, dass die Materialien bei diesen hohen Temperaturen supraleitend sind. Dennoch erfordern beide Supraleiter einen Druck, der mehr als eine Million Mal so hoch ist wie der Druck in der Erdatmosphäre, was ihre praktische Verwendbarkeit einschränkt. Auch andere Hochtemperatursupraleiter wie Yttriumhydrid wurden von mehreren Gruppen repliziert.

Im Gegensatz dazu haben Physiker Schwierigkeiten, den Lutetium-Supraleiter der Dias-Gruppe reproduzierbar nachzuweisen oder eine überzeugende theoretische Erklärung dafür zu finden. Zusammen mit den früheren Rücknahmen lässt das viele Forscher zweifelhaft zurück. "Ich vertraue absolut keinen Ergebnissen dieser Gruppe", sagt Physiker Dmitrii Semenok vom Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research in Peking.

In einer E-Mail wischte Dias Bedenken beiseite und schrieb: "Wenn es Menschen schwerfällt, meine Arbeit nachzuvollziehen, ist das nicht überraschend - nicht jeder wird in der Lage sein, das zu tun, was ich Jahre gebraucht habe, um zu erreichen."

In Anbetracht der Rücknahmen und gescheiterten Replikationen denken viele Physiker, dass andere Entwicklungen in diesem Bereich mehr Aufmerksamkeit verdienen.

Ein heißes Thema sind ternäre Hydride, Materialien, bei denen Wasserstoff mit zwei zusätzlichen Elementen kombiniert wird, anstatt nur einem. Indem sie die vielen möglichen Kombinationen von Elementen im Periodensystem erforschen, hoffen Physiker, neue Supraleiter zu finden, die bei geringerem Druck und höheren Temperaturen als die bisher untersuchten Hydride arbeiten (SN: 3/19/21).

Im Juni berichteten Wissenschaftler über das erste Beispiel eines ternären Hydrids mit einer völlig neuen Atomstruktur, die in früheren binären Hydriden noch nie gesehen wurde. Das Material aus Lanthan, Beryllium und Wasserstoff war laut Forschern in einem in PRL veröffentlichten Artikel bis etwa 100 Kelvin (etwa −173° C) supraleitend. Das ist keineswegs ein Rekord. Aber das Material benötigt weniger Druck als einige andere Hydride, sagt der Physiker Yanming Ma von der Jilin University in Changchun, China. "Wir haben das erste Beispiel. Später können Leute vielleicht auf unserer Arbeit aufbauen."

In einer weiteren aktuellen Entwicklung haben Physiker ein jahrzehntelanges Rätsel gelöst. Ein 2012 vorhergesagter Supraleiter, Calciumhydrid, wurde schließlich von zwei unabhängigen Teams 2022 in PRL und in Nature Communications hergestellt. Dies war der erste Hydrid-Supraleiter mit einer "Käfig" -Struktur, bei der die Wasserstoffatome einen Käfig um einen anderen Atomtyp bilden.

Diese Käfigstruktur wurde seitdem in anderen Hochtemperatursupraleitern gefunden, einschließlich des anerkannten Rekordhalters, Lanthanhydrid. Die Entdeckung von Calciumhydrid "ist ein wirklich schöner Erfolg", sagt die theoretische Physikerin Eva Zurek von der University at Buffalo in New York. "Beispiele wie dieses laufen dem Argument entgegen ... dass das ganze Forschungsgebiet schlechte Arbeit leistet."

Bisher erfordern Hydride immer noch einen hohen Druck, um supraleitend zu werden. "Es ist sehr schwierig, den Druck dieser Hydride auf Umgebungsbedingungen zu senken", sagt der theoretische Physiker Hanyu Liu von der Jilin University.

Einige Physiker gehen über Wasserstoff hinaus. Physiker Timothy Strobel setzt andere leichte Elemente ein. Er untersucht Clathrate, die nicht mit Wasserstoff, sondern mit Bor und Kohlenstoff hergestellt werden - den fünften und sechsten Elementen im Periodensystem.

In solchen Materialien "würden wir eine mäßig hochtemperaturige Supraleitung erwarten, aber nicht so hoch wie bei Wasserstoff", sagt Strobel von der Carnegie Institution for Science in Washington, D.C.

Aber dieser Kompromiss könnte es wert sein. Mit solchen Materialien hoffen Wissenschaftler, Strukturen zu finden, die stark genug sind, um unter Atmosphärendruck bestehen zu bleiben. Es ähnelt der auffälligsten Form von Kohlenstoff, dem Diamanten, der unter Druck entsteht, aber intakt bleibt, sobald dieser Druck nachlässt. In einem im Januar im Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Artikel sagen Zurek, Strobel und Kollegen voraus, dass einige Varianten dieser Materialien bei Temperaturen von bis zu 88 Kelvin (ungefähr –185° Celsius) unter Atmosphärendruck supraleitend sein könnten.

That might seem low in comparison to the high-pressure hydrides. But temperatures above 77 kelvins (about −196° C), the boiling point of liquid nitrogen, are more easily achievable in practical use, because costly liquid helium isn’t required for coolant. In contrast, high pressures are currently prohibitive for practical purposes. Reaching ambient pressure may be more important than room temperature, Strobel argues.

In parallel to investigating new superconductors, high-pressure physicists are also discussing how to avoid controversies in their field in the future.

Some are calling for more sharing of raw data, with the intent of making claims easier to check and experiments easier to replicate. Semenok, for example, posts raw data online for most of his papers. Other physicists in the field find the idea appealing. “This really should be standard for major journals,” Eremets says. “In our age, why not?”

While Dias’ group provided data associated with their lutetium superconductor paper in Nature, that hasn’t satisfied other scientists. “In my mind, basically none of the data that’s been uploaded is raw data,” says physicist James Hamlin of the University of Florida in Gainesville. “Raw data is a data file that was created by your measurement software on the day of the measurement and then not touched after that point.” The Dias team’s data doesn’t fit that bill, Hamlin says.

Physicists are also working to strengthen the evidence for superconductivity in their materials. It’s not all about resistance, or lack thereof. Superconductors exhibit other hallmarks. One telltale sign is the Meissner effect, in which a material expels magnetic fields. This and other effects can help confirm that the superconductivity is real.

But high-pressure experiments involve mere specks of material squeezed between two diamonds. Making clear measurements of the Meissner effect and other hallmarks of superconductivity can be difficult under such conditions.

So scientists are coming up with additional ways to confirm superconductivity. For example, when certain types of superconductors are exposed to a magnetic field and the magnetic field is later switched off, a residual magnetic field remains trapped within the superconductor. In a June paper in Nature Physics, Eremets and colleagues reported measurements of trapped magnetic fields in both the sulfur and lanthanum hydrides, further solidifying the case for their superconductivity.

Some physicists are also calling for a set of criteria that scientists would be expected to meet before claiming to have found a new superconductor. “There should be some general standard of what one should prove to claim superconductivity,” Boeri says.

Besides measuring a dramatic drop in resistivity, Hirschfeld suggests requiring other markers of superconductivity, such as showing that a magnetic field lowers the temperature below which a material becomes a superconductor. Several other measurements would be required for the scientific community to accept the result, with the results confirmed by independent groups.

Despite efforts to bolster superconductor research, spurious claims of room-temperature superconductivity will probably be challenging to eliminate. “It’s not something rare; it happens from time to time,” Semenok says. The allure of the room-temperature superconductor looms large.  

Case in point — a purported room-temperature, ambient-pressure superconductor called LK-99, reported prior to peer review at arXiv.org in July, went viral on social media. Further scientific investigation soon mostly debunked the claim.

As for Dias, his lutetium-based superconductor still stands in the scientific record — for now. After researchers raised concerns about the paper, Nature began looking into it. “We are currently assessing concerns that have been raised with us, but we cannot discuss the specifics of those concerns relating to any particular paper while such post-publication assessments are underway,” a spokesperson for Nature said.

The paper now bears a cautionary editor’s note. The reliability of the paper’s data, it says, is in question.

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