Вчені виявили новий надпровідник при кімнатній температурі

Цього тижня вчені оголосили про захоплюючий прогрес на шляху до мрії про матеріал, який може легко проводити електрику в повсякденних умовах. Подібний прорив може змінити майже будь-яку технологію, яка використовує електроенергію, відкривши нові можливості для вашого телефону, магнітних поїздів і майбутніх електростанцій термоядерного синтезу.

Зазвичай потік електрики зустрічає опір, рухаючись дротами, майже як форма тертя, і частина енергії втрачається у вигляді тепла. Століття тому фізики відкрили матеріали, які тепер називаються надпровідниками, у яких електричний опір, здавалося б, чарівним чином зник. Але ці матеріали втрачали свою стійкість лише за дуже низьких температур, що обмежувало практичне застосування. Десятиліттями вчені шукали надпровідники, які працюють при кімнатних температурах.

Оголошення цього тижня є останньою спробою в цій спробі, але воно надійшло від команди, яка зіткнулася з широким скептицизмом, оскільки документ 2020 року описує надпровідний матеріал як перспективний, але менш практичний. відступати Після того, як інші вчені поставили під сумнів деякі дані.

Новий надпровідник складається з лютецію, рідкоземельного металу, і водню з невеликою кількістю азоту. Йому потрібен тиск 14 500 фунтів на квадратний дюйм, перш ніж він стане надпровідним. Це приблизно в 10 разів перевищує тиск на дно найглибших океанських жолобів.

Але це також менше однієї сотої від необхідного результату 2020 року, який був схожий на сили розриву, виявлені на глибині кількох тисяч миль у глибині Землі. Це вказує на те, що подальші дослідження матеріалу можуть призвести до надпровідника, який працює при кімнатній температурі та типовому атмосферному тиску 14,7 psi.

«Це початок нового типу матеріалу, корисного для практичного застосування», — сказав Ранга П. Діас, професор машинобудування та фізики з Університету Рочестера в Нью-Йорку, у залі, повній вчених, у вівторок. На засіданні Американського фізичного товариства в Лас-Вегасі.

Це був повний облік результатів його команди Опубліковано в середу в Natureце той самий журнал, який опублікував, а потім відкликав результати за 2020 рік.

Команда в Рочестері почала з крихітних тонких пластівців лютецію, сріблясто-білого металу, який є одним з найрідкісніших рідкоземельних елементів, і стиснула їх між двома зчепленими діамантами. Потім газ, що складається з 99 відсотків водню та 1 відсотка азоту, закачувався в невелику камеру і вичавлювався під високим тиском. Зразок нагрівали протягом ночі при 150 градусах за Фаренгейтом, а через 24 години тиск скидали.

Приблизно в третині випадків процес давав бажаний результат: крихітний, яскравий синій кристал. «Не так просто отримати азот у гідрид лютецію», — сказав доктор Діас.

У лабораторії Університету Рочестера, яку використовувала група доктора Діаса, аспірант Хіранья Басан продемонстрував дивовижну змінну властивість матеріалів під час візиту журналіста минулого тижня. Коли гвинти закручували, щоб збільшити тиск, блакитний колір почервонів.

“Він дуже рожевий”, – сказав доктор Діас. За його словами, при більш високому тиску «вона стає яскраво-червоною».

Просвічування кристалів лазером показало, як вони вібрують, і розблокувало інформацію про структуру.

В іншій кімнаті інші члени команди доктора Діаса проводили магнітні вимірювання інших кристалів. У міру зниження температури в даних, які відображалися на екрані комп’ютера, з’являлися прогнозовані гноми, що вказувало на перехід до надпровідника.

“Це пряме вимірювання, яке ми зараз робимо”, – сказав доктор Діас.

У статті дослідники повідомляють, що рожеві кристали демонстрували ключові властивості надпровідників, такі як нульовий опір, при температурах до 70 градусів за Фаренгейтом.

«Я налаштований обережно оптимістично», — сказав Тімоті Стробель, науковий співробітник Наукового інституту Карнегі у Вашингтоні, який не брав участі в дослідженні доктора Діаса. «Дані в газеті виглядають чудово».

«Якщо це правда, то це дійсно, дуже важливий прорив», — сказав Пол Ч. Ч. Чу, професор фізики Х’юстонського університету, який також не брав участі в дослідженні.

Однак частина цих настроїв «якщо» обертається навколо доктора Діаса, якого переслідують скептицизм, критика та навіть звинувачення деяких вчених у тому, що він сфабрикував деякі зі своїх даних. Висновки статті Nature 2020 року не були відтворені іншими дослідницькими групами, і критики кажуть, що доктор Діас не поспішав, щоб дозволити іншим вивчити його дані або провести незалежний аналіз його надпровідників.

Минулого року редактори Nature відкликали попередню статтю через заперечення доктора Діаса та інших авторів.

“Я трохи втратив віру в те, що виходить від цієї групи”, – сказав Джеймс Хемлін, професор фізики Університету Флориди.

Однак нова стаття пройшла рецензування в тому ж журналі.

Прес-секретар Nature сказала: «Відкликання наукової статті не позбавляє автора автоматичної права подавати нові рукописи». «Усі надіслані рукописи розглядаються незалежно на основі якості та своєчасності їх знання».

На конференції у вівторок у Лас-Вегасі так багато фізиків зібралося в тісну конференц-залу, що модератор попросив деяких вийти, щоб їм не довелося скасовувати презентацію. Після того, як кімната була проріджена, доктор Діас зміг представити свої висновки без перерви. Подякувавши натовпу, модератор поскаржився, що їм не вистачило часу на запитання.

Доктор Стробель визнав триваючу суперечку навколо доктора Діаса та попередні незвичайні заяви, які ще належить відтворити.

«Я не хочу надто багато вчитувати в це, але тут може бути певна модель поведінки», — сказав доктор Стробель. “Він справді міг би стати найкращим гіпербаричним фізиком у світі, який збирається отримати Нобелівську премію. Або щось інше відбувається”.

під натиском

Надпровідність була відкрита голландським фізиком Хейке Камерлінг Оннесом і його командою в 1911 році. Надпровідники не тільки переносять електрику з нульовим електричним опором, але вони також володіють дивною здатністю, відомою як ефект Мейснера, яка забезпечує відсутність магнітного поля всередині матеріалу. .

Для перших відомих надпровідників були потрібні температури на кілька вищих за абсолютний нуль або мінус 459,67 градусів за Фаренгейтом. У 1980-х роках фізики відкрили так звані високотемпературні надпровідники, але навіть ці надпровідники стають набагато холоднішими, ніж ті, з якими ми стикаємося в повсякденному використанні.

Стандартна теорія, яка пояснює надпровідність, передбачає, що водень повинен бути надпровідним при вищих температурах, якщо його можна досить сильно стиснути. Але навіть найміцніший алмаз ламається до того, як досягне напруги такої величини. Вчені почали розглядати водень, змішаний з іншим елементом, думаючи, що хімічні зв’язки можуть допомогти стиснути атоми водню.

У 2015 році Михайло Єремець, фізик з Інституту хімії Макса Планка в Майнці, Німеччина, повідомив, що сірководень — молекула, що складається з двох атомів водню й одного атома сірки — перетворюється на надпровідник при 94 градусах за Фаренгейтом під тиском, коли стискається до близько 22 Мн. фунтів на квадратний дюйм. Це була рекордно висока температура для надпровідника на той час.

Пізніше доктор Еремец та інші вчені виявили, що гідрид лантану — сполука, що містить водень і лантан — досягає температури надпровідності менше 10 градусів за Фаренгейтом під дуже високим тиском.

У дослідженні, описаному у відкликаній статті 2020 року, група доктора Діаса використовувала водень, сірку та вуглець. Вчені сказали, що за допомогою трьох елементів вони змогли налаштувати електронні властивості сполуки для досягнення високотемпературної надпровідності.

Однак не всі в це повірили.

Головним опонентом доктора Діаса є Хорхе Гірш, фізик-теоретик з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго. Він зосередився на вимірюваннях реакції сполуки вуглецю, сірки та водню на флуктуаційні магнітні поля, проведених групою доктора Діаса, що є доказом ефекту Мейснера. Сюжет у статті виглядав дуже чистим, і вчені не пояснили, як вони виключили фоновий вплив у сюжеті.

Коли доктор Діас оприлюднив базові необроблені дані, сказав доктор Гірш, його аналіз показав, що вони були створені за математичною формулою і не можуть бути фактично виміряні в експерименті. «За допомогою аналогії ви не отримаєте аналітичних формул», — сказав доктор Гірш. «Ви отримуєте числа з шумом».

Його скарги на доктора Діаса стали настільки наполегливими та інтенсивними, що інші співробітники розповсюдили листа, в якому скаржилися на десятиліття руйнівної поведінки доктора Гірша.

Доктор Хірш — шоумен у китайській крамниці, який націлюється на теорію БКШ, розроблену в 1957 році трьома фізиками — Джоном Бардіном, Леоном Н. Купером і Дж. Робертом Шрайвером — щоб пояснити, як працює надпровідність. Багато в чому, каже він, BCS є «брехнею», яка не може пояснити ефект Мейснера. Він придумав своє альтернативне пояснення.

Примітно, що доктор Хірш казав, що в жодному з цих матеріалів високого тиску не може бути надпровідності, оскільки водень не може бути надпровідником. У нього є кілька союзників.

Хоча доктор Гірш обережно каже, що вчені, крім доктора Діаса, не вчиняють неправомірних дій, він каже, що вони обманюють себе.

«На мій погляд, уривки стають висновками», – сказав він.

стійкість і розмноження

Доктор Хемлін з Університету Флориди також заглибився в магнітні вимірювання і сказав, що виглядає так, ніби необроблені дані були отримані з опублікованих даних, а не навпаки.

Доктор Хемлін також був стурбований тим, що кілька уривків із його докторської дисертації, яку він написав у 2007 році, слово в слово з’явилися в дисертації доктора Діаса.

Д відмовляється. Діас продовжив критику і каже, що його група надала пояснення. “Це просто було схоже на фоновий шум”, – сказав він. «Ми намагаємося продовжувати рухати нашу науку вперед».

Він сказав, що він як і раніше залишається при попередніх висновках і що газета в середу використовувала нову техніку для магнітних вимірювань. Він сказав, що стаття пройшла п’ять раундів перевірки рецензентами і що всі необроблені дані, що стоять за висновками, були надані.

“Він знову в природі”, – сказав доктор Діас. — Отже, це тобі дещо говорить.

Після двох університетських розслідувань Сара Міллер, прес-секретар Університету Рочестера, сказала: «Було встановлено, що немає жодних доказів, які б підтверджували ці побоювання». У ньому також сказано, що університет «розглянув питання про відкликання статті Nature у вересні 2022 року та дійшов такого ж висновку».

Що стосується стенограми докторської дисертації доктора Хемліна, доктор Діас сказав, що він мав включити цитати. «Це була моя провина», — сказав доктор Діас.

Повторно виконайте додрукарські вимірювання вмісту вуглецю, сірки та водню відкликаного документа 2020 року зараз циркулює, але навіть це викликає запитання. “Вони сильно відрізняються від оригінальних вимірювань”, – сказав доктор Стробель. «Можна стверджувати, що вони не відтворювали результати самі».

Оскільки новий матеріал на основі лютецію є надпровідним при значно нижчому тиску, багато інших дослідницьких груп зможуть спробувати відтворити експеримент. Доктор Діас сказав, що він хоче надати більш точний рецепт, як зробити суміш і поділитися зразками, але спочатку потрібно вирішити проблеми інтелектуальної власності. Він заснував компанію Unearthly Materials, яка планує перетворити дослідження на прибуток.

Доктор Стробел сказав, що почне працювати, як тільки повернеться з конференції в Лас-Вегасі. «Ми могли отримати результат буквально за добу», – сказав він.

Доктор Хірш також сказав, що очікує швидкого отримання відповідей. «Якщо це правда, — сказав він, — це доводить, що моя робота за останні 35 років помилкова». «Чому я був би дуже радий, тому що я б знав».

Доктор Хірш додав: «Але я думаю, що я правий, а це неправильно».

Кімберлі МакГі Надав репортаж із Лас-Вегаса.