истории

Трое физиков из Кореи заявили о решении одной из главных научных проблем XXI века — создании сверхпроводника комнатной температуры Твиттер и реддит в восторге, но поспешные объявления об открытии уже случались — и не раз

Источник: Meduza

22 июля 2023 года южнокорейский ученый Ен Ван Квон (Young-Wan Kwon) и двое его коллег выложили на сервере препринтов arXiv.org статью, которая начиналась так: «Впервые в мире мы успешно получили комнатно-температурный сверхпроводник (127 ℃), работающий при нормальном давлении». Если эти слова не окажутся намеренной фальсификацией или досадной ошибкой, это будет означать, что в физике произошло, возможно, главное событие столетия: найден материал, который имеет нулевое электрическое сопротивление не при экстремально низкой температуре, не при давлении в миллионы атмосфер, а в обычных условиях, в которых можем жить мы с вами. Благодаря такому открытию человечество, вероятно, ждет бурный прогресс в электроэнергетике, строительстве транспорта, медицине и других отраслях.

Сверхпроводимость — способность некоторых материалов проводить ток вообще без каких-либо «накладных расходов», которые обычно сопровождают передачу электричества

Эффект был открыт в 1911 году — вскоре после того, как удалось найти способ получать жидкий гелий (1908). Голландец Хайке Камерлинг-Оннес из Лейденского университета, исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры, обнаружил, что при температуре ниже 4,15 кельвина (примерно −269 градусов Цельсия) сопротивление ртути скачком падало до нуля. Дальнейшие эксперименты показали, что в сверхпроводящее состояние при низкой температуре могут переходить не только ртуть, но и другие проводники.

Сверхпроводимость (как и сверхтекучесть) — макроскопическое проявление квантовых эффектов. Как именно и почему она возникает — это вопрос, на который в физике пока нет исчерпывающего ответа. Существующая теория сверхпроводимости объясняет только поведение проводников при очень низкой температуре, сравнимой с той, при которой делались эксперименты со ртутью. Однако давно известны материалы (например, некоторые соединения меди — купраты), которые теряют сопротивление в условиях, которые существующая теория не может объяснить. Такие сверхпроводники называют высокотемпературными, и их поведение с точки зрения сопротивления электрическому току не удалось полностью объяснить до сих пор.

Конечно, в бытовом плане сложно назвать высокой температуру −196 градусов Цельсия — ту, которая считается условной границей между низко- и высокотемпературными сверхпроводниками. Однако само существование таких материалов и отсутствие теоретических ограничений на возможность их улучшения позволяет надеяться на создание еще более высокотемпературных сверхпроводников — тех, что будут сохранять свои свойства, вовсе не требуя охлаждения, при комнатной температуре и даже выше.

Пресса называет комнатную сверхпроводимость «святым Граалем», и это тот случай, когда ученые с журналистами в целом согласны

Нобелевский лауреат Виталий Гинзбург включил поиски сверхпроводимости при комнатной температуре в список самых важных проблем физики XXI века — на второй строчке после управляемого термоядерного синтеза.

В первую очередь этот Грааль будет интересен электроэнергетикам: электрическое сопротивление отнимает от 8 до 15 процентов энергии на пути от электростанции до потребителей. Эти потери настолько существенны, что в некоторых условиях оказывается коммерчески осмысленным создавать охлаждаемые азотом сверхпроводящие линии электропередач. Сейчас самые длинные линии со сверхпроводящими кабелями (и соответствующей системой охлаждения) не превышают по длине 1,5—2,5 километра. Это пока очень дорогое удовольствие, поскольку оно требует сложной и дорогой криогенной системы. На 2016 год стоимость километра такой линии в зависимости от технологии оценивалась в два миллиона долларов на гигаватт мощности.

Сверхпроводящие компоненты крайне важны и для создателей квантовых компьютеров: самые простые и технологичные кубиты, которые используются в них, основаны на использовании квантового эффекта Джозефсона в сверхпроводниках. Поэтому квантовые вычислители тоже нуждаются в криогенном охлаждении — и это не последняя причина, которая сдерживает их прогресс.

Еще более востребована сверхпроводимость создателями сверхмощных магнитов — в магнитно-резонансных томографах, ускорителях частиц, поездах на магнитной подушке (маглевах), — а также строителями будущих термоядерных реакторов-токамаков и стеллараторов, поскольку только сверхпроводящие обмотки могли обеспечить нужную силу тока и не расплавиться. Во всех этих устройствах приходилось использовать сложную и дорогую систему охлаждения с жидким гелием, которая сама по себе требует много энергии и может быть потенциальным источником проблем.

В частности, Большой адронный коллайдер осенью 2008 года был остановлен почти на год вскоре после запуска из-за аварии, связанной с бракованными контактами, которые вывели часть кабелей из сверхпроводящего состояния, что в свою очередь привело к разрыву трубопроводов с жидким гелием.

Появление материалов, которые могут оставаться в сверхпроводящем состоянии без систем охлаждения, может означать революцию и в электроэнергетике, и в транспорте, и в медицине. Но только при условии, что новый материал будет достаточно технологичен, то есть пригоден для производства кабелей и проводов, и цена новых кабелей окажется не сильно выше, чем стоимость «обычных» вместе с системой охлаждения. А цена может оказаться высокой. Например, стоимость метра кабеля из высокотемпературного сверхпроводника, рассчитанного на силу тока в килоампер, составляет около 300–400 долларов (обычные алюминиевые или медные провода — от 5 до 20 долларов).

«Возможность практического применения сверхпроводников определяется не только температурой сверхпроводящего перехода, но и, к примеру, их механическими свойствами, химической стабильностью и многим-многим другим. Так что даже в случае подтверждения результата его практическая важность должна обсуждаться отдельно», — говорит Михаил Кацнельсон, профессор Университета Радбауда.

Об открытии комнатной сверхпроводимости объявляли уже не раз. Эти заявления никогда не удавалось подтвердить

В начале 2000-х годов разразился скандал вокруг германского физика Яна Хендрика Шона, который заявлял, что ему удалось достичь сверхпроводимости в углеродных соединениях (при 117 кельвинах). Результаты Шона не подтвердились, и почти 20 его статей в престижных журналах были отозваны.

Десятилетие назад были обнаружены материалы, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах, близких к нулю по Цельсию. Группа под руководством Михаила Еремца из Института Макса Планка в 2015 году обнаружила, что простой сероводород (H₂S) остается сверхпроводящим до температуры 203 кельвина — то есть всего лишь при 70 градусах Цельсия ниже нуля. Проблема, правда, в том, что при этом он должен оставаться под сверхвысоким давлением в 90 гигапаскалей — это около 900 тысяч атмосфер.

Многие другие научные группы интенсивно исследовали сверхпроводимость в соединениях водорода — гидридах — в расчете на то, что в каком-то из них удастся получить сверхпроводимость при комнатной температуре. В 2019 году та же группа Еремца обнаружила сверхпроводимость в гидриде латана LaH₁₀ при температуре 250 кельвинов (−23 градуса Цельсия) и давлении 1,7 миллиона атмосфер.

Правда, не обходилось и без скандалов. Группа под руководством Ранги Диаса в 2020 году заявила, что зафиксировала сверхпроводимость в смеси сероводорода, метана и водорода при температуре 15 градусов Цельсия выше нуля и давлении 2,67 миллиона атмосфер — то есть практически достигли комнатной сверхпроводимости. Однако к результату возникли претензии у теоретиков, и ни одна экспериментальная группа не смогла подтвердить его результат. Статья была отозвана.

Впрочем, Диас и его группа уже в марте 2023 года заявили об открытии сверхпроводимости в совершенно другом соединении (допированном азотом гидриде лютеция) при температуре 21 градус выше нуля и совсем небольшом давлении в 10 тысяч атмосфер. Однако предыдущий отзыв не прошел для Диаса даром — в его адрес звучат обвинения в фабрикации данных в еще одной статье, которая, возможно, тоже будет отозвана.

Если верить корейским физикам, им удалось добиться комнатной сверхпроводимости, не расплачиваясь за высокую температуру сверхвысоким давлением

Состав и технология производства материала — сверхпроводящей при комнатной температуре керамики LK-99 была запатентована группой Ен Ван Квона в Корее еще в августе 2021 года. Это фосфат свинца с примесью меди, структурно схожий с минералом апатитом.

В конце апреля статья с теоретическим описанием и первыми результатами была опубликована на корейском языке в Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology, и наконец, 22 июля материал с сенсационным заголовком был выложен на arXiv.org. Вместе с ним там появился еще один препринт, посвященный экспериментальному подтверждению сверхпроводимости в образце: оно заключалось в практической демонстрации эффекта Мейснера — левитации сверхпроводника в магнитном поле.

Строго говоря, препринты — это еще не объявление об открытии: для последнего требуется как минимум публикация в рецензируемом журнале. И хотя никто и не может делать вид, что заявления о сенсационном открытии не было, спешить объявлять о триумфе пока рано. Михаил Кацнельсон напоминает, что физические законы не запрещают возможности сверхпроводимости при комнатной температуре, так что слова корейских ученых точно не входят в один ряд с научными псевдосенсациями, такими как «открытие» сверхсветовых нейтрино. Тем не менее принимать на веру заявление ученый не спешит и предлагает дождаться результатов экспериментаторов.

У специалистов в области сверхпроводимости возникает много вопросов к самому препринту. В частности, физики Владимир Пудалов, Кирилл Перваков и Андрей Садаков из Центра исследования сверхпроводимости имени Гинзбурга (ФИАН) говорят, что схема реакции синтеза вещества, приведенная в статье, нарушает законы сохранения массы и заряда. Ошибка, возможно, связана со спешкой в оформлении статьи, но это не единственная проблема работы.

«Самое главное — нет прямого доказательства сверхпроводимости. Заметим только то, что эффектная демонстрация левитирующего над магнитом кусочка материала лишь демонстрирует его сильный диамагнетизм и малую плотность», — выражают сомнение физики.

Пудалов и его коллеги заявляют тем не менее, что намерены проверить заявления корейских физиков. «Даже если сверхпроводимость в апатите не подтвердится, возникновение в нем сильного диамагнетизма и металлической проводимости представляет научный интерес», — говорят они.

Лаборатории по всему миру уже пытаются воспроизвести результаты корейских ученых

Проверкой данных, опубликованных Ен Ван Квоном и коллегами, среди прочих занялись Аргоннская национальная лаборатория США и Национальная ускорительная лаборатория SLAC в Стэнфорде. Одна из ученых Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли провела моделирование свойств LK-99 и обнаружила, что оно может быть сверхпроводником при комнатной температуре, однако вещество может быть экстремально сложным для получения. Моделированием свойств материала занялись и ученые из китайского Шеньяна.

По данным источников в Аргоннской лаборатории, там уже удалось получить образец LK-99, но даже если эта информация верна, ученым потребуется еще довольно много времени для проверки параметров и доказательства сверхпроводимости.

В экспериментальную проверку заявления корейских ученых включились и многочисленные любители: прямо сейчас сделать вещество LK-99 пробуют не только в лабораториях, но и на кухнях разной степени оснащенности, не забывая сообщать об успехах в твиттере. Один из пользователей твиттера уже достиг полного успеха — правда, ему пришлось прибегнуть к помощи лески.

Тем временем на букмекерских сайтах, которые принимают ставки на результат проверки, видно, что уверенность в ее успехе постепенно растет.

Сами авторы сенсации, похоже, более чем уверены в ее результате. Как заметили пользователи твиттера, в главной статье с объявлением об открытии только три автора — ровно столько, сколько могут разделить между собой Нобелевскую премию.