Уся сучасна електрика та електроніка могла б зробити гігантський ривок у енергоефективності та продуктивності, якби не електричний опір (про закон Ома чув майже кожен). Майже сторіччя науковці ведуть пошук такого матеріалу, який мав би майже нульовий опір, дозволивши передавати величезний струм по тонких дротах. Такі матеріали існують, але тільки при кріогенних температурах. Проте науковцям, схоже, вдалося знайти матеріал, який є напівпровідником при звичайній температурі. Це відкриття уже називають найбільшим проривом сторіччя, якщо воно виявиться правдою.
У доповіді на щорічній березневій зустрічі Американського фізичного товариства в Лас-Вегасі, фізик Ранга Діас з Університету Рочестера оголосив, що він і його команда досягли столітньої мрії: надпровідник, який працює при кімнатній температурі та “майже кімнатному” тиску.
Інтерес до презентації був настільки сильним, що співробітники служби безпеки припинили вхід до переповненої аудиторії, де виступав Діас, більш ніж за п’ятнадцять хвилин до початку.
Результати, опубліковані в журналі Nature, показують, що матеріал — тверда речовина, що складається з водню, азоту та рідкоземельного металу лютецію — вдалося перетворити на надпровідник.
Надпровідник – це матеріал, який має нульовий електричний опір при протіканні крізь нього струму. Саме внаслідок електричного опору дроти гріються, що обмежує можливе електричне навантаження, максимальну відстань передачі енергії, змушує піднімати напругу в мережі, роблячи електросистему більш складною та небезпечною.
Однією з ознак надпровідності в матеріалі є ефект Мейснера, який виганяє всі магнітні поля з матеріалу. Завдяки цій властивості надпровідник може левітувати над магнітом.
Дослідники стверджують, що спостерігають ефект Мейснера в своєму новому матеріалі.
Хоча деякі вчені сприйняли цю заяву з ентузіазмом, інші висловлюються набагато обережніше, вказуючи на суперечливу історію дослідницької групи (Діас рішуче заперечує звинувачення.)
Журналісти видання Quanta зв’язалося з десятком експертів, реакція яких варіювалася від нестримного хвилювання до прямого відхилення, причому багато експертів висловлювали деяку версію обережного оптимізму.
Раніше надпровідність спостерігалася лише при низьких температурах або гігантському тиску — умовах, які роблять ці матеріали непрактичними для застосувань, таких як лінії електропередач без втрат, високошвидкісні потяги, і доступні медичні пристрої візуалізації.
Нещодавно представлений матеріал проводить струм без опору при 21 градусі за Цельсієм і тиску близько 1 гігапаскаля. Це все ще великий тиск — приблизно в 10 разів перевищує тиск у найглибшій точці Маріанської западини, — але він більш ніж у 100 разів менший, ніж тиск, необхідний у попередніх експериментах із подібними матеріалами.
«Якщо це виявиться правильним, це, можливо, найбільший прорив в історії надпровідності», — сказав Джеймс Хемлін, фізик з Університету Флориди, який не брав участі в роботі.
Якщо це правда, сказав він, «це карколомне, новаторське, дуже захоплююче відкриття». Але інциденти, пов’язані з попередньою роботою команди — включаючи твердження про надпровідність при температурі, близькій до кімнатної, опубліковане в Nature у 2020 році та відкликане наприкінці минулого року — кинули тінь на сьогоднішнє оголошення.
«Важко не замислитися, чи деякі з тих самих проблем, які залишилися невирішеними в попередній роботі, існують і в новій роботі», — сказав Хемлін.
Досягнення всіх показників
Понад століття вчені знали, що охолодження більшості металів до температури в межах кількох градусів абсолютного нуля призводить до драматичних метаморфоз.
Навколо цієї «критичної температури», яка змінюється від одного матеріалу до іншого, електрони з’єднуються в пари й утворюють тип квантової рідини. Коли це відбувається, електрони більше не відбиваються в атоми і не створюють електричний опір, що дозволяє їм текти без втрати енергії.
Головною метою досліджень надпровідності з тих пір було підвищення критичної температури.
Десятиліттями фізики досягали поступового прогресу, постійно підвищуючи критичну температуру, випробовуючи різні комбінації елементів. Останніми роками з’явився один багатообіцяючий клас матеріалів, відомих як гідриди.
Гідриди – це сполуки, які поєднують водень з більш важкими атомами, такими як сірка або метали. Чим більше водню, тим краще для надпровідності, вважають фізики. Дослідники іноді додають напилення з інших атомів, таких як вуглець або азот, щоб ще більше налаштувати властивості матеріалу.
Перший надпровідний гідрид, про який повідомлялося в 2015 році, досяг свого переходу при температурі мінус 70 градусів за Цельсієм і тиску 155 гігапаскалів (наближається до половини тиску ядра Землі).
Протягом трьох років та сама група, а також інша група створили ще більше насичених воднем «супергідридних» матеріалів, які могли бути надпровідником при температурах до мінус 13 градусів за Цельсієм і тиску 190 гігапаскалів.
Новий матеріал від групи Діаса перевершує усі попередні досягнення. Останні кілька років команда Діаса працювала над супергідридом на основі лютецію. Щоб виготовити зразок, команда намочила тонку плівку лютецію в ароматизаторі, що складається з 99% водню та 1% азоту, випікаючи її протягом кількох днів при 200 градусах Цельсія.
Потім алмазна ковадла стискала зразок під тиском 2 гігапаскалі. Далі команда поступово послаблювала ковадло, перевіряючи зразок на надпровідні властивості.
Діас сказав, що із сотень отриманих зразків вони змогли спостерігати надпровідність у десятках зразків навіть після того, як тиск було знижено приблизно до 1 гігапаскаля.
Щоб продемонструвати надпровідність, команда виконала три класичних тести. При критичній температурі вони показали падіння опору та пік властивості, пов’язаної з тим, наскільки легко матеріал нагрівається.
Групі також вдалося безпосередньо виміряти витіснення магнітного поля із зразків — однозначну ознаку надпровідності під назвою ефект Мейснера, який ніколи раніше не був переконливо продемонстрований у супергідриді. Цікаво, що зразок також змінював колір від синього до рожевого до червоного синхронно зі змінами його фази.
Графіки статті – це саме те, на що шукають дослідники, коли перевіряють надпровідність. Переконливі докази хвилюють багатьох учених, які десятиліттями шукали матеріали, які могли б наблизити це явище до повсякденних умов.
«Я дуже радий побачити результат. І я ні в якому разі не сумніваюся, що те, що вони спостерігають, є саме таким», — сказав Сіддхарт Саксена, фізик з Кембриджського університету, який не брав участі в цій роботі.
Єва Зурек, хімік-теоретик з Університету Буффало, яка часто спілкується з Рочестерською групою, але також не брала участі в дослідженнях, сказала, що матеріал, який є надпровідним за таких умов, «вплине на кожен аспект нашого життя так, як ми не можемо собі уявити».
Хемлін погоджується, що демонстрація «є оглядом усіх видів вимірювань, які ви хотіли б побачити на цьому матеріалі, створюючи саме той тип даних, який ви сподіваєтеся побачити».
Заплямована репутація
Проте Хемлін та інші дослідники наполягають на тому, що минуле групи вимагає, щоб їхні сьогоднішні претензії історичної важливості піддавалися ретельному аналізу.
«Є багато доказів надпровідності, якщо прийняти це за чисту монету, — сказав Хорхе Гірш, фізик з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго. – Але я не вірю ні в що з того, що говорять ці автори».
Гірш сказав, що його недовіра випливає з тривалої історії звинувачень у дослідницьких злочинах проти попередніх і нинішніх членів групи.
Зовсім недавно, у 2020 році, Діас та його співавтори опублікували дослідження вуглецевого гідриду сірки (CSH), який досяг критичного переходу приблизно при 14 градусах Цельсія і 267 гігапаскалях.
Майже відразу кілька експертів помітили незвичайні закономірності в даних, які використовуються для перевірки реакції матеріалу на магнітні поля.
Коли Діас і його постійний співробітник Ашкан Саламат, фізик з Університету Невади в Лас-Вегасі, через рік оприлюднили свої необроблені дані у формі 149-сторінкового документа, вони докладно описали незвичайний і складний метод усунення фонових магнітних перешкод — один, за їх словами, був необхідний для виявлення крихітного магнітного поля, яке відхиляється маленьким зразком. Цей метод не відповідав тому, як вони описали процедуру в оригінальній статті, що змусило Nature у вересні минулого року опублікувати про відкликання тієї статті.
Гірш та інші фізики стверджують, що проблеми виходять за рамки оманливої плутанини щодо магнітного фону. У вересні Хірш і Дірк ван дер Марель, почесні професори Женевського університету, опублікували заяву про те, що те, що Діас і Саламат оприлюднили як необроблені дані CSH, які насправді було отримано з опублікованих даних.
«[Ми] в основному математично довели, що необроблені дані не вимірюються в лабораторії; вони сфабриковані», — сказав Гірш.
Хемлін незалежно опублікував препринт у жовтні минулого року, в якому стверджував, що дані питомого електричного опору також були оброблені нерозкритим способом — нове звинувачення на вершині проблеми, яке призвело до відкликання у 2022 році.
Діас енергійно захищає свою роботу. За кілька місяців після відкликання статті Діас провів додаткові експерименти з матеріалом CSH у Аргоннській та Брукхейвенській національних лабораторіях. У них він запросив незалежних вчених спостерігати надпровідний перехід матеріалу.
Нещодавно він подав новий рукопис до журналу Nature, у якому повторюється твердження про високотемпературну надпровідність у CSH із суворістю, на якій він наполягає, щоб розвіяти минулі звинувачення.
«Свідки нашої роботи засвідчили наше відкриття. Ми продемонстрували, що CSH працює для досягнення надпровідності, як і «червона матерія», — сказав Діас, посилаючись на неофіційну назву нового матеріалу на основі лютецію, натхненну «Зоряним шляхом». – Ви можете вірити доказам чи ні, але ви не можете їх ігнорувати».
Нілеш Салке, фізик з Університету Іллінойсу, Чикаго, який допомагав у проведенні нових вимірювань і не брав участі в дослідженнях 2020 року, сказав, що «нова робота підтверджує надпровідність у CSH». Він назвав відкриття нового матеріалу лютецію «чудовим», додавши, що це «важлива віха в галузі надпровідності».
Проте стаття CSH — не єдина пов’язана робота, яку критикують. Один із співавторів статті CSH, Метью Дебессай, був першим автором дослідження 2009 року, який стверджував про надпровідність третього матеріалу, європію. Публікацію пізніше було відкликано через представлення змінених даних (Діас не був співавтором цієї статті).
Хірш стверджує, що в цій публікації «дані скопійовано та вставлено в інший регіон». Інші також стверджували, що деякі дані в іншій нещодавній роботі Діаса були дубльовані з даних, отриманих під час вивчення абсолютно іншої речовини.
Діас рішуче заперечує всі звинувачення в протиправних діях і продовжує докладати зусиль, щоб чітко підтвердити свої заяви про виявлення надпровідності при звичайних температурах і низьким тиском. Він підкреслює, що остання стаття, яка описує надпровідність низького тиску в матеріалі лютецію, пройшла надзвичайно ретельний процес експертної перевірки, що включав кілька раундів перевірки протягом більшої частини року.
Діас також сказав, що він поділився всіма своїми необробленими даними з Nature, і що вони будуть опубліковані разом з новим результатом. Кілька незалежних експертів висловили впевненість у здатності журналу Nature забезпечити якнайточніший результат.
«Я майже впевнений, що редактор Nature та рецензенти, мабуть, приготували їх на грилі, перш ніж дати зелений сигнал», — сказав Салке.
«Для мене важко уявити повторне відкликання, — сказав Михайло Єремець, фізик з Інституту хімії Макса Планка в Німеччині, який очолював відкриття гідридних надпровідників. – Ми повинні розглянути це серйозно, незважаючи на передісторію».
Діас підкреслив, що він і його колеги були абсолютно прозорими під час надзвичайно ретельного процесу перевірки. «Цього разу ми віддали все, — сказав він. – Всі техніки. Рецензенти мали доступ до всіх даних».
Чудовий процес перегляду, накладений на невизначену історію, залишив деяких дослідників у підвішеному стані. «Я вже не знаю, у що вірити, — сказав ван дер Марель. – Ось і вся проблема.»
Підтвердження та комерція
Зрештою, прийняття відкриття ширшою спільнотою дослідників буде залежати від інших лабораторій. Чи зможуть вони відтворити матеріал і підтвердити його надпровідні властивості? Є підстави сподіватися, що відповідь надійде відносно швидко.
Хоча в світі є лише кілька груп, які можуть працювати з неймовірно високим тиском алмазного ковадла, необхідним для виявлення надпровідності в CSH, існують десятки лабораторій, які можуть працювати в режимі низького тиску матеріалу на основі лютецію, — сказав Хемлін.
Діас сказав, що протягом останніх кількох місяців його лабораторія працювала над тим, щоб повністю видалити елементи алмазного ковадла з процесу, що могло б ще більше прискорити зусилля для підтвердження знахідки.
Щоб дозволити іншим лабораторіям точно відтворити результати, група повинна бути готова поділитися всім своїм набором необроблених даних разом із детальними методами підготовки зразків або надіслати зразки свого матеріалу в інші лабораторії для тестування, сказав Хемлін.
Однак зовнішня перевірка відкриття може не виправдати сподівань. Діас і Саламат заснували стартап Unearthly Materials, який, за словами Діаса, вже залучив понад 20 мільйонів доларів США від інвесторів, включаючи генеральних директорів Spotify і OpenAI.
Вони також нещодавно подали заявку на патент на матеріал гідрид лютецію, що утримає їх від надсилання зразків поштою. «У нас є чіткі, детальні інструкції, як робити наші зразки, — сказав Діас. – Ми не збираємося поширювати цей матеріал, враховуючи захищений характер наших процесів і існуючі права інтелектуальної власності».
«Не порушуючи законів про інтелектуальну власність, ми раді поділитися тим, що зробили, — сказав Діас. – Також є деякі обмеження, але я думаю, що ми можемо щось виробити».
За матеріалами: Quanta
