Keine Sensation: Warum LK-99 ohne Supraleitung zu schweben scheint

Der Supraleiter bei Zimmertemperatur bleibt ein Sommermärchen. Es braucht keine Supraleitung, um zu tun, was mit LK-99 gezeigt wurde. Aber wie geht das?

9. August 2023 um 12:30 Uhr / Von Frank Wunderlich-Pfeiffer

Schweben auf Magneten funktioniert auch ohne Supraleitung. Hier schwebt ein Stück Graphit. Bild: Wikimedia/Splarka / Public Domain

LK-99 ist wohl kein Supraleiter, sondern ein Material mit interessanten magnetischen Eigenschaften. Der Stoff aus Blei, Kupfer, Phosphor und Sauerstoff wurde in den letzten Wochen bekannt, nachdem er von einer koreanischen Forschungsgruppe als Supraleiter bei Zimmertemperatur und normalem Druck beschrieben wurde, der selbst noch bei Temperaturen über 127 Grad Celsius supraleitend sei.

Als Beleg dienten Videos, in denen das Material über starken Magneten zu schweben scheint, wie bei bekannten Supraleitern. Das ursprüngliche Video aus Korea zeigt allerdings keine schwebende Probe, sondern eine Probe, die zum Teil auf dem Magneten liegt. Das wurde als Supraleitung in einem Teil der Probe gedeutet. Aber als die Probe versehentlich zu stark angestoßen wurde, lag sie sogar vollständig auf dem Magneten und konnte erst durch nochmaliges Anstoßen in den vorigen Zustand versetzt werden.

Diese Eigenschaft des Schwebens, auch als Meissner-Effekt bekannt, ist ein typisches Merkmal von Supraleitern, die keinen elektrischen Widerstand besitzen. Es ist eine extreme Form von Diamagnetismus, der Eigenschaft eines Stoffs, von einem äußeren Magnetfeld abgestoßen zu werden. Ein Beweis von Supraleitung ist das allerdings nicht, selbst Kohlenstoff und sogar Frösche können in starken Magnetfeldern schweben. Supraleitung kann nur durch die Messung des elektrischen Widerstandes tatsächlich nachgewiesen werden. Aber alle Messungen zeigen auf einen deutlich höheren elektrischen Widerstand als bei Metallen wie Kupfer.

Nur wenige Partikel "schweben"

Chinesische Forschergruppen haben nun gezeigt, wie das Verhalten von LK-99 ganz ohne Supraleitung zustande kommen kann. An der Universität Peking wurde für die Messungen der magnetischen Eigenschaften eine Probe so weit wie möglich von Verunreinigungen gesäubert und die Partikel zur Vorbereitung von Messungen in eine Form gepresst. Denn es gibt unvermeidliche Verunreinigungen durch die primitive Synthese durch Erhitzung von zwei vermischten Pulvern in einer evakuierten Quarzröhre, die keine vollständige Stoffumsetzung erlauben. Keine der so erzeugten großen Proben zeigte eine Reaktion auf das Magnetfeld.

Einige kleine Partikel reagierten hingegen sehr wohl darauf und stellten sich teilweise auf, so wie in den Videos aus Korea und von verschiedenen anderen Gruppen. Alle Proben, die den Effekt zeigen, sind dabei klein und flach oder dünn. Dabei sollte der Meissner-Effekt eigentlich unabhängig von der Größe und Form der Proben auftreten, was sich für die Erklärung des Effekts als entscheidender Faktor herausgestellt hat.

In der Universität Peking wurde dann bei weiteren Untersuchungen festgestellt, dass der Stoff bei der Synthese aus einer Mischung von zumindest zwei unterschiedlichen Zusammensetzungen besteht, die unterschiedliche magnetische Eigenschaften haben. Eine Komponente ist diamagnetisch und eine andere Komponente ist ferromagnetisch. Die Anteile der beiden Komponenten scheinen dabei unterschiedlich verteilt zu sein. In starken Magnetfeldern überwiegt aber der ferromagnetische Effekt deutlich und kann die Probe teilweise von einem Magneten anheben.

Immerhin ein völlig neues magnetisches Material

Ferromagnetismus, der nach der Magnetisierung von Eisen benannt ist, entsteht durch die magnetische Ausrichtung von mikroskopisch kleinen Bereichen des Materials entlang eines äußeren Magnetfeldes. Diese Bereiche wechselwirken aber miteinander, so dass sie auch ohne das äußere Magnetfeld ihre Ausrichtung beibehalten. Wenn der ferromagnetische Gegenstand besonders lang oder flach ist, richten sich diese Bereiche aus energetischen Gründen bevorzugt längs des Gegenstandes aus, auch leicht quer zur Richtung des äußeren Magnetfeldes.

Wenn aber das Magnetfeld des ferromagnetischen Material quer zum äußeren Magnetfeld liegt, entsteht eine Kraft, die versucht, das ferromagnetische Material wie eine Kompassnadel entlang des Magnetfeldes auszurichten. Diese Kraft erzeugt das Phänomen, dass eine Seite der Materialprobe in der Luft schwebt, während die andere Seite auf dem Magneten verbleibt.

Die Entdeckung von Ferromagnetismus in einem Material aus Blei, Kupfer, Phosphor und Sauerstoff ist neu, unerwartet und verdient weitere Untersuchungen. Bislang waren keine solchen Eigenschaften bei diesen Stoffen bekannt. Damit bleibt aber noch die sprunghafte Änderung der elektrischen Eigenschaften von LK-99 zu erklären.

Verunreinigungen täuschen Sprungtemperatur vor

Die Originalveröffentlichung aus Korea erklärte den hohen elektrischen Widerstand damit, dass nur ein Teil des Materials supraleitend sei und die Übergänge zwischen den Materialien zu elektrischem Widerstand führen. Dabei sank der elektrische Widerstand sprunghaft bei 112 Grad Celsius. Dieses Verhalten konnte aber vom Institut für Festkörperphysik in Peking inzwischen auf einen Phasenübergang von Kupfersulfid-Verunreinigungen zurückgeführt werden, der bei dieser Temperatur zu einer sprunghaften Änderung des elektrischen Widerstands führt.

Damit sind alle Eigenschaften von LK-99 ganz ohne Supraleitung erklärbar. Das einzige Video einer vollständig schwebenden Probe von LK-99 stammt von der chinesischen Videoplattform Douyin, dessen Autor jedoch anonym bleiben will und damit entsprechend wenig glaubwürdig ist.

Selbst wenn sich der Stoff als supraleitend herausgestellt hätte, wäre der praktische Nutzen fraglich – oder zumindest von wichtigen Eigenschaften abhängig gewesen. Supraleiter können Strom zwar ohne Spannungsabfall leiten, aber nicht in unbegrenzten Mengen. Hohe Stromflussdichten führen bei Supraleitern genauso zum Verlust des geringen Widerstandes wie das Überschreiten der Sprungtemperatur oder zu starke Magnetfelder.

Träume der Science-Fiction bleiben wohl unerfüllbar

In der Praxis werden selbst Hochtemperatursupraleiter für praktische Anwendungen oft mit flüssigem Helium weit unter ihre Sprungtemperatur abgekühlt, um möglichst starke Magnetfelder zu erzeugen. Die bloße Entdeckung von Supraleitung bei Zimmertemperatur würde an diesem grundsätzlichen Problem wenig ändern. Hinzu kommen andere Materialeigenschaften.

Kupfer und Aluminium sind weich genug, um Drähte einfach und billig herzustellen. Keramische Werkstoffe wie LK-99 und viele praktisch nutzbare Supraleiter sind in der Herstellung deutlich teurer als Kupfer oder einfaches Aluminium und in elektronischen Anlagen viel schwieriger zu verbauen. In vielen Fällen kommen außerdem knappe Rohstoffe hinzu, wenn auch weniger im Fall von LK-99.

Ein großer Durchbruch, der zu billiger Kernfusion, Schwebebahnen ohne Stromverbrauch und anderen Träumen der Science-Fiction führen würde, braucht also viel mehr als nur einen Supraleiter mit hoher Sprungtemperatur bei niedrigem Umgebungsdruck. Aber bislang haben wir noch nicht einmal diesen.