Unidentifizierbare supraleitende Objekte

Das Ganze garnierten die südkoreanischen Wissenschaftler mit einem Video, bei dem zu sehen war, wie das Material über einem Magneten schwebt. Die schönen Bilder sorgten rasch weltweit für enorme Aufmerksamkeit. In den sozialen Medien gab es gleich große Diskussionen darüber, wann und wo denn nun die Fabriken gebaut werden sollten, die dieses Material in rauen Mengen herstellen. Doch das Video hatte einen Schönheitsfehler, der Laien nicht so schnell auffällt: An einer Seite schien der Kristall auf dem Magneten zu kleben und nicht frei zu schweben. Ein solches Verhalten ist eher untypisch für Supraleiter, kann aber durch andere, etwa ferromagnetische Effekte hervorgerufen werden.

Andere Forscherteams machten sich umgehend daran, ebenfalls LK-99 herzustellen und zu untersuchen. Doch von Supraleitung fanden sie keine Spur. „Wir Festkörperphysiker wurden von dem medialen Rummel um LK-99 zunächst etwas überrollt“, sagt Titus Neupert, Professor für theoretische Festkörperphysik an der Universität Zürich. „Dennoch ist es einigen Gruppen erstaunlich schnell gelungen, das Material zu synthetisieren.“ Dabei stellte sich heraus, dass die Wissenschaftler aus Südkorea wohl unreines Material hergestellt hatten. Einem Forscherteam am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart hingegen gelang es, Kristalle aus LK-99 in hoher Reinheit zu produzieren. Wie sich zeigte, ist dieses Material kein Supraleiter, sondern ein guter Isolator.

Mangelnde kristalline Perfektion

Dazu muss man sagen, dass das südkoreanische Forschungsteam eben nicht aus Supraleiterspezialisten bestand, sondern aus Chemikern, die einen neuen Syntheseweg gefunden hatten – nur eben keinen Supraleiter. Ihre Verbindung aus Kupfer, Blei, Phosphor und Sauerstoff enthielt vermutlich Verunreinigungen aus Kupfersulfid. Das würde den gemessenen Sprung in der Leitfähigkeit erklären sowie auch die ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften. Solche Verunreinigungen können schnell entstehen, wenn die Synthese keinen perfekten Kristall hervorbringt. Außerdem können solche Stoffe hochgradig korrosiv sein und dadurch etwa Material aus dem Schmelztiegel herauslösen. Es braucht sehr viel Erfahrung im Umgang mit den Substanzen, um diese Effekte auszuschließen.

In der Gemeinde der Supraleiterforscher wird LK-99 inzwischen zur Klasse der „USOs“ gezählt. Das sind die „Unidentifizierten Supraleitenden Objekte“, die immer mal wieder auftauchen und dann schnell wieder aus dem Fokus verschwinden. Für die Supraleiterforschung bringen solche Hypes zwar kurzfristig etwas Aufmerksamkeit, aber auf Dauer ramponieren sie auch ein wenig das Renommee der Disziplin. „Und sie wecken falsche Erwartungen in der Öffentlichkeit“, warnt Neupert.

Was ist hier schiefgelaufen? Dazu muss man erst einmal sagen: ArXiv, wo die Ergebnisse vorgestellt wurden, ist ein großes Online-Repositorium, auf dem Wissenschaftler vieler Disziplinen neue Ergebnisse veröffentlichen. Erstens dient das dem Ziel, dass die Resultate gleich in der globalen Forschergemeinde diskutiert werden können. Und zweitens hat es den Zweck, dass die publizierenden Forscher die Urheberschaft für ein bestimmtes Ergebnis für sich selbst reklamieren können: Wer etwas zuerst veröffentlicht hat – auch bei ArXiv –, kann im Normalfall eine Entdeckung für sich beanspruchen.

Allerdings: Eine solche Veröffentlichung trägt noch kein Qualitätssiegel, sondern ist lediglich so etwas wie ein Anschlag am Schwarzen Brett der jeweiligen Disziplin. Erst mit der sogenannten Peer-Review-Prüfung durch ein wissenschaftliches Fachjournal zählt eine Studie als solider Beitrag zum Stand der Wissenschaft. Beim Peer Review untersuchen Fachkollegen die Stichhaltigkeit einer eingereichten Studie. Und das Fachjournal bürgt mit seinem guten Namen dafür, dass die Prüfung so gut wie möglich nach dem Stand der Forschungskunst stattgefunden hat.

Bei LK-99 stand nicht nur eine solche Prüfung noch aus: Es gab sogar eine gewisse Verwirrung, weil nur Stunden nach der ersten Studie eine zweite zum selben Material online ging, bei der teilweise andere Forscher als Autoren auftraten. Die südkoreanische Forschungseinrichtung hat eine Untersuchung dazu eingeleitet.

Auf der Jagd nach Rekorden

Aber auch hoch renommierte Fachjournale können hin und wieder einer Ente aufsitzen. In den letzten Jahren haben insbesondere die Ergebnisse des Forschungsteams um Ranga Dias von der University of Rochester, einer Privatuniversität im US-Bundesstaat New York, für Kontroversen gesorgt. Die Forscher haben mehrfach Studien bei großen Journalen publiziert, die anschließend heftig kritisiert wurden. Teilweise mussten die Veröffentlichungen sogar zurückgezogen werden, weil sich Ergebnisse nicht reproduzieren ließen oder sich als Fälschung herausgestellt haben.

Wie konnte es dazu kommen? Bei der Jagd nach einem Hochtemperatursupraleiter, der unter Normalbedingungen funktioniert, winkt ein enormes wissenschaftliches Prestige: Ein Nobelpreis wäre beinahe schon garantiert. Darüber hinaus sind für jeden Inhaber eines entsprechenden Patents enorme finanzielle Gewinne absehbar. Denn vermutlich nirgends in der Wissenschaft ist der Weg von der erkenntnisgetriebenen Grundlagenforschung hin zur globalen Kommerzialisierung so kurz wie bei Hochtemperatursupraleitern. Dazu kommt: Die Hochtemperatursupraleitung ist von der Theorie her erstaunlich schlecht verstanden. Es geht um komplexe Materialien mit überraschenden Eigenschaften. Daher besteht immer die Möglichkeit, von der experimentellen Seite her einen unerwarteten Coup zu landen. Der Heilige Gral erscheint schwierig, aber durchaus realistisch zu erreichen.

Derzeit gibt es nur wenige Anwendungen für Hochtemperatursupraleiter – etwa in der Magnetresonanztomografie, in Forschungseinrichtungen oder beim Pilotprojekt AmpaCity, bei dem ein Supraleiterkabel Strom durch die Innenstadt von Essen transportiert. All die dabei verwendeten Supraleiter müssen aufwendig gekühlt werden. Der Versuch, bei höheren Temperaturen Supraleitung zu erzielen, gelingt bislang nur bei sehr hohen Drucken. Das funktioniert schon im Labor nur mit riesigem Aufwand und macht einen Einsatz in der Praxis unmöglich.

Den bisherigen Rekord für Hochtemperatursupraleitung hält das Team um Mikhail Eremets vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz. Sein Gemisch aus Lanthan und Wasserstoff wird bei minus 23 Grad Celsius supraleitend. Doch es benötigt dazu einen enormen Druck von 170 Gigapascal – so viel wie im äußeren Erdkern. Dieses Material zeigt zwei charakteristische Merkmale von Supraleitung: Es verliert seinen elektrischen Widerstand, und die kritische Temperaturschwelle dafür lässt sich durch Magnetfelder beeinflussen. Ein drittes Kriterium – die Verdrängung von Magnetfeldern aus dem Inneren des Werkstoffs – ließ sich nicht nachweisen, da die Probe schlicht zu klein war. Einige Experten sind bei diesem Material deshalb noch skeptisch, ob es wirklich ein Supraleiter ist – aber das liegt im Rahmen der normalen Fachdiskussion.

Studien unter Beschuss

Bei den Ergebnissen von Dias und seinen Mitarbeitern sieht die Sache wesentlich problematischer aus. 2020 hatten sie bei Nature, einem der ältesten und profiliertesten naturwissenschaftlichen Journale, einen Artikel über ein Gemisch aus Kohlenstoff, Schwefel und Wasserstoff publiziert. Es soll bei 15 Grad Celsius und einem Druck von 270 Gigapascal supraleitend werden. Dieser Druck hat zwar wiederum „Erdkern-Niveau“, aber die Temperatur wäre ein Rekord gewesen. Allerdings haben andere Forscher diese Studie massiv kritisiert. Niemand konnte die Ergebnisse reproduzieren. Stattdessen sahen einige der veröffentlichten Daten nach Manipulation aus. Die Studie wurde deshalb von Nature 2022 zurückgezogen.

Im März 2023 haben Dias und sein Team sogar eine noch spektakulärere Studie veröffentlicht, und zwar wieder bei Nature. Darin stellen sie das Material Lutetiumhydrid vor, das bei 20 Grad Celsius und einem Druck von lediglich einem Gigapascal supraleitend wird – nur ein Zehntel des Drucks, den man zur Herstellung synthetischer Diamanten benötigt. Das wäre ein absoluter Meilenstein auf dem Weg zu alltagstauglichen Supraleitern.

Doch nach den Vorfällen mit der alten Studie sind die neuen Ergebnisse sofort auf erhebliche Vorbehalte in der Forschergemeinde gestoßen. Chinesische Wissenschaftler haben ebenfalls Lutetiumhydrid synthetisiert, doch sie konnten keine Anzeichen von Supraleitung finden. Und Jorge Hirsch, Professor für Physik an der University of Chicago und einer der schärfsten Kritiker von Ranga Dias, kommentiert: „Einige der Daten von Dias, die als gemessene Spannungen dargestellt sind, sind erwiesenermaßen manipuliert. Andere Daten, die auf Supraleitung hinweisen und die nicht gefälscht sind, sind experimentelle Artefakte. Keiner der von ihm vorgestellten Supraleiter ist real.“

Das Ganze wirft auch kein gutes Licht auf den Publikationsprozess. Allerdings sind Wissenschaftler generell vorsichtig mit Kritik an den angesehen Fachjournalen. Man will mit diesen Institutionen nicht unbedingt in Konflikt geraten. Und natürlich sind die Gutachter der Journale auch nicht immer gefeit gegenüber geschickten Manipulationen, Fälschungen, Plagiaten oder schlicht experimentellen Irrtümern. Deshalb darf man auch in der Öffentlichkeit nicht zu 100 Prozent darauf vertrauen, dass ein Ergebnis als sicher erwiesen ist, nur weil es in einem Fachjournal erscheint. Erst muss das Resultat andernorts reproduziert werden. Karl Ziemelis, der Chefredakteur für exakte Naturwissenschaften bei Nature, äußert sich deshalb vorsichtig: „Es wird immer Raum für eine strenge Bewertung nach einer Publikation geben.“ Jorge Hirsch und andere Kollegen sehen aber zumindest die neue Publikation von Dias sehr kritisch. Nach all den bisherigen Vorwürfen hätte man diese Studie wesentlich eingehender prüfen sollen.

Auch mit der University of Rochester ist Hirsch unzufrieden. Sie hatte eine Untersuchung zu den Vorwürfen der Datenmanipulation begonnen, aber wieder eingestellt, weil nichts gefunden worden sei. Auf seine Nachfrage zu den Gründen dafür habe er keine Antwort erhalten, berichtet der Physiker aus Chicago: „Ich habe ihnen mitgeteilt, dass sich die Datenmanipulation mathematisch nachweisen lässt, aber sie antworten nicht darauf.“

Der gute Ruf ist in Gefahr

Es gibt in der Wissenschaft den Spruch: „Außergewöhnliche Behauptungen erfordern außergewöhnliche Beweise.“ Wenn man zu oft von diesem Prinzip abweicht und Falschmeldungen in die Welt setzt, schadet dies auch der Reputation der Wissenschaft in der breiteren Öffentlichkeit. Natürlich möchte jeder Beteiligte – auch jede Universität und jedes Journal – gern vom Glanz eines möglichen Nobelpreises profitieren. Aber dabei sollten sie sich stets vor Augen halten: Es ist viel einfacher, seinen Ruf zu beschädigen, als sich einen guten Ruf zu erarbeiten. Und für die Wissenschaft mit ihrer immensen Bedeutung und gesellschaftlichen Vorbildfunktion muss das in einem ganz besonderen Maß gelten.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…