LK-99 Superconductor: van baanbrekende hoop tot meer bescheiden realiteit

Toen Zuid-Koreaanse wetenschappers eind juli een mogelijke doorbraak in supergeleiders rapporteerden, veroorzaakten hun beweringen golven van opwinding en scepsis toen onderzoekers over de hele wereld zich haastten om de experimenten te repliceren.

Zo’n supergeleider – die elektriciteit transporteert zonder energieverlies bij kamertemperatuur en gewone luchtdruk – is een heilige graal van de materiaalwetenschap. Dromers hopen op supergeleiders op kamertemperatuur die de efficiëntie van onze energienetwerken kunnen maximaliseren en de productie van fusie-energie kunnen stimuleren; de voortgang op kwantumcomputers versnellen; of help een tijdperk van supersnel transport in te luiden.

In de weken sinds dat eerste rapport ging het verhaal van de LK-99-supergeleider echter helemaal over wat er in laboratoria gebeurt – wat de hype vrij snel op aarde bracht. Pogingen tot replicatie en bevestiging hebben de sceptici gesteund en meer duidelijkheid verschaft over wat LK-99 is en wat het niet is.

Op 22 juli hebben de natuurkundigen in Zuid-Korea twee artikelen geüpload naar arXiv, een opslagplaats voor preprint-onderzoek – het soort dat nog door vakgenoten moet worden beoordeeld en gepubliceerd in een wetenschappelijk tijdschrift. Het is eigenlijk alsof je een eerste versie van je werk uploadt. De onderzoekers beweerden dat ze de eerste supergeleider op kamertemperatuur hadden geproduceerd met een “gemodificeerde lood-apatietstructuur” gedoteerd met koper en genaamd LK-99.

Een deel van het “bewijs” dat het team leverde, was een video waarin de verbinding boven een magneet zweefde, een belangrijk kenmerk van supergeleidende materialen.

De gedurfde beweringen maakten een monumentale plons met experts in het veld.

“De chemicaliën zijn zo goedkoop en niet moeilijk te maken”, zegt Xiaolin Wang, een materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Wollongong in Australië. “Daarom is het als een atoombom in de gemeenschap.”

Maar wat er in dat laboratorium in Zuid-Korea gebeurde, was slechts een allereerste stap om uit te zoeken of de resultaten op de een of andere manier praktische implicaties zouden kunnen hebben voor technologie en de rol ervan in ons leven. We hadden meer data nodig en vanaf het begin was er reden tot voorzichtigheid.

Hoe supergeleiders werken en waar ze te vinden zijn

Een bonafide supergeleider op kamertemperatuur zou een grote fanfare waard zijn. Moderne materialen die we gebruiken om elektriciteit te geleiden, zoals de koperen bedrading die energie levert aan je huis, zijn inefficiënt. Terwijl elektronen langs de draad stuiteren, botsen ze tegen de atomen van het materiaal, waardoor warmte ontstaat en energie verloren gaat. Dit staat bekend als elektrische weerstand, de reden dat tot 10% van de elektriciteit wordt verspild terwijl deze door transmissielijnen naar huizen reist. Energieverlies gebeurt ook in onze elektronische apparaten.

Maar als draden en transmissielijnen zouden worden gemaakt van supergeleidend materiaal, zou je die verliezen praktisch teniet kunnen doen. De elektronen vormen paren terwijl ze door het materiaal reizen en botsen niet zo vaak tegen de atomen, waardoor ze vrij kunnen stromen.

Supergeleidende materialen bestaan ​​al en worden gebruikt in verschillende toepassingen, zoals MRI-machines, over de hele wereld. Deze vereisen echter extreem lage temperaturen (benadert het absolute nulpunt rond min 459 graden Fahrenheit) of extreem hoge drukken (meer dan 100.000 keer de atmosferische druk).

Ondertussen wordt door Central Japan Railway een supergeleidend magnetisch levitatiesysteem gebouwd om passagiers tussen Tokio en Nagoya te vervoeren. De SCMaglev-trein gebruikt rubberen wielen om snelheden van ongeveer 93 mijl per uur te halen voordat het supergeleidende magnetische systeem het overneemt. Het zou snelheden van 311 mph moeten kunnen halen.

Het proces vereist een supergeleidende niobium-titaniumlegering, die wordt gekoeld tot minus 452 graden Fahrenheit met vloeibaar helium.

Een supergeleider op kamertemperatuur zoals LK-99 zou dit een veel goedkopere onderneming maken en betekenen dat er geen helium hoeft te worden verzameld. (In tegenstelling tot sommige zorgen in de media van de afgelopen jaren, zullen we niet snel zonder helium komen te zitten, maar het wordt slechts in een paar landen geproduceerd, dus problemen met de aanvoer kunnen enorme prijspieken veroorzaken.)

LK-99 hype en scepsis

Vanaf het begin waren Wang en andere experts op het gebied van supergeleiding sceptisch over het oorspronkelijke LK-99-experiment en wezen ze op inconsistenties in de gegevens. Hij zei dat de resultaten niet moeten worden gehyped “totdat er meer overtuigende experimentele gegevens worden verstrekt.” Zijn team aan de Universiteit van Wollongong begon te werken aan het repliceren van de resultaten, maar had problemen met de fabricage van monsters.

In een interview met het tijdschrift Science dat op 27 juli werd gepubliceerd, was Michael Norman, een natuurkundige aan het Argonne National Laboratory, bot. Hij zei dat het Zuid-Koreaanse team “overkomt als echte amateurs”.

Begin augustus waren pogingen om het recept te volgen en LK-supergeleiding te bevestigen meestal mislukt. Het volgen van de golf van nieuwe supergeleidingsexperimenten door verschillende laboratoria en individuen werd een soort huisnijverheid.

Op X, het sociale netwerk dat voorheen bekend stond als Twitter, was LK-99 dagenlang trending. Het stak officieel over naar Meme Territory – iedereen heeft het over “zwevende rotsen” – en genereerde een aantal bizarre claims, waarbij velen opmerkten dat de overvloed aan accounts snel veranderde van het promoten van AI-investeringen tot het plotseling ondersteunen van aandelen in supergeleiders. De aandelen van de American Superconductor Corporation verdubbelden onmiddellijk na 27 juli, maar vielen al snel terug op hun eerdere niveaus.

Zelfs de CEO van ChatGPT-maker OpenAI, Sam Altman, woog ingekscherend, “geweldig deze e-mails van recruiters die vragen om meer dan 2 jaar ervaring met lk-99.”

De scepsis rond LK-99 is gegrond. In de loop der jaren hebben veel teams beweerd supergeleiders op kamertemperatuur te hebben ontdekt. De meeste van deze beweringen hebben de wetenschappelijke toetsing niet doorstaan.

Zo publiceerde een team onder leiding van Ranga Dias, een natuurkundige aan de Universiteit van Rochester in New York, in 2020 het bewijs van een supergeleider bij kamertemperatuur in het prestigieuze tijdschrift Nature. Het artikel werd in september 2022 ingetrokken nadat er vragen waren gerezen over de manier waarop de gegevens in de krant waren verwerkt en geanalyseerd. De auteurs beweren dat de onbewerkte gegevens een sterke ondersteuning bieden voor hun beweringen, maar replicatie van hun experiment is niet bereikt.

De nasleep van de LK-99

Dus wat betekent LK-99 voor u? Op dit moment waarschijnlijk niet veel, tenzij je in een natuurkundig konijnenhol op X wilt vallen en verstrikt wilt raken in het moment. In de nabije toekomst misschien ook niet veel.

Het repliceren van de LK-99-experimenten is grotendeels een mislukking gebleken. Twee onderzoeken van twee afzonderlijke onderzoeksgroepen die op 31 juli op arXiv werden geplaatst, konden het Zuid-Koreaanse onderzoek niet repliceren. Een deel van het supergeleidingsgedrag van het materiaal werd gezien in zeer kleine monsters door Chinese onderzoekers, merkte Wang op.

Met op dat moment koortsachtige opwinding, haastten theoretische studies zich om de kenmerken van LK-99 te verklaren.

Sinéad Griffin, een natuurkundige aan het Lawrence Berkeley National Laboratory, gaf een analyse van de capaciteiten van de LK-99 met behulp van supercomputersimulaties. (Griffin’s plaatsen op X ging vergezeld van een meme van Barack Obama die de microfoon liet vallen.) Deze studie werd ook als preprint op arXiv geplaatst.

natuurkundigen die zich op het werk van Griffin wogen, waren cynisch over de mic-drop-referentie en waren er niet van overtuigd dat dit enig solide bewijs leverde voor supergeleiding. Griffin verduidelijkte zelf haar resultaten in een X-threadzeggend dat het geen bewijs leverde voor supergeleiding in het materiaal, maar wel interessante structurele en elektronische eigenschappen vertoonde die kenmerken gemeen hebben met supergeleiders op hoge temperatuur (dat wil zeggen ruim boven min 452 graden Fahrenheit, maar ver, ver, ver onder kamertemperatuur).

Halverwege augustus citeerde een artikel in het tijdschrift Nature toenemend bewijs dat LK-99 geen supergeleider is, inclusief een experimenteer met het reproduceren van de gedeeltelijke levitatie met behulp van een materiaal dat geen supergeleider is. Het citeerde Inna Vishik, een experimentator op het gebied van gecondenseerde materie aan de Universiteit van Californië, Davis: “Ik denk dat de zaken op dit punt vrij definitief zijn geregeld.”

Zelfs als LK-99 zelf niet de heilige graal is, kan het op zichzelf al een interessant materiaal zijn, dat de mogelijkheden opent om op nieuwe, onverwachte manieren naar supergeleiders op kamertemperatuur te zoeken. Als het op de een of andere manier uiteindelijk lukt deed leiden tot een supergeleider op kamertemperatuur, dan zijn de mogelijkheden wellicht Echt openen.

Giuseppe Tettamanzi, een hoofddocent aan de school voor chemische technologie van de Universiteit van Adelaide, merkt op dat wetenschappers al heel lang nadenken over het vervangen van de koperen kabels van het elektriciteitsnet door supergeleidende kabels – een schakelaar die enorme energiebesparingen zou kunnen opleveren. Hij noemt ook de voordelen voor kwantumcomputers en transport.

“De lucht is hier de limiet”, zei hij.

Wetenschap in actie zien is opwindend, en de passie voor LK-99 was best een leuke afwisseling op de X-feed, althans voor mij. Maar wetenschap, in actie, kost tijd, en het zou geen overhaaste conclusies moeten trekken over wereldveranderende gevolgen. Daarom is het werk van de replicatoren zo belangrijk.