Вся современная электрика и электроника могла бы совершить гигантский рывок в энергоэффективности и производительности, если бы не электрическое сопротивление (о законе Ома слышал почти каждый). Почти столетие ученые ведут поиск такого материала, который имеет нулевое сопротивление, позволяя передавать огромный ток по тонким проводам. Такие материалы существуют, но только при криогенных температурах. Однако ученым, похоже, удалось найти материал, полупроводник при обычной температуре. Это открытие уже называют величайшим прорывом столетия, если оно окажется правдой.
В докладе на ежегодной мартовской встрече Американского физического общества в Лас-Вегасе, физик Ранга Диас из Университета Рочестера объявил, что он и его команда добились столетней мечты: сверхпроводник, работающий при комнатной температуре и «почти комнатном» давлении.
Интерес к презентации был настолько сильным, что сотрудники службы безопасности прекратили вход в переполненную аудиторию, где выступал Диас, более чем за пятнадцать минут до начала.
Результаты, опубликованные в журнале Nature, показывают, что материал – твердое вещество, состоящее из водорода, азота и редкоземельного металла лютецию – удалось превратить в сверхпроводник.
Сверхпроводник – это материал, имеющий нулевое электрическое сопротивление при протекании сквозь него тока. Именно в результате электрического сопротивления провода греются, что ограничивает возможную электрическую нагрузку, максимальное расстояние передачи энергии, заставляет поднимать напряжение в сети, делая электросистему более сложной и опасной.
Одним из признаков сверхпроводимости в материале является эффект Мейснера, изгоняющего все магнитные поля из материала. Благодаря этому свойству сверхпроводник может левитировать над магнитом.
Исследователи утверждают, что наблюдают эффект Мейснера в своем новом материале.
Хотя некоторые ученые восприняли это заявление с энтузиазмом, другие высказываются гораздо более осторожно, указывая на противоречивую историю исследовательской группы (Диас решительно отрицает обвинения.)
Журналисты издания Quanta связалось с десятком экспертов, реакция которых варьировалась от безудержного волнения до прямого отклонения, причем многие эксперты высказывали некоторую версию осторожного оптимизма.
Ранее сверхпроводимость наблюдалась только при низких температурах или гигантском давлении — условиях, которые делают эти материалы непрактичными для применений, таких как линии электропередач без потерь, высокоскоростные поезда и доступные медицинские устройства визуализации.
Недавно представленный материал проводит ток без сопротивления при 21 градусе по Цельсию и давлению около 1 гигапаскаля. Это все еще большое давление — примерно в 10 раз превышает давление в глубочайшей точке Марианской впадины, — но оно более чем в 100 раз меньше, чем давление, необходимое в предыдущих экспериментах с подобными материалами.
«Если это окажется правильным, это, возможно, наибольший прорыв в истории сверхпроводимости», — сказал Джеймс Хэмлин, не участвовавший в работе физик из Университета Флориды.
Если это правда, сказал он, «это головокружительное, новаторское, очень увлекательное открытие». Но инциденты, связанные с предыдущей работой команды, включая утверждение о сверхпроводимости при температуре, близкой к комнатной, опубликованное в Nature в 2020 году и отозванное в конце прошлого года, бросили тень на сегодняшнее объявление.
«Трудно не задуматься, есть ли некоторые из тех же проблем, которые остались нерешенными в предыдущей работе, существуют и в новой работе», — сказал Хэмлин.
Достижение всех показателей
Более века ученые знали, что охлаждение большинства металлов до температуры в пределах нескольких градусов абсолютного нуля приводит к драматическим метаморфозам.
Вокруг этой «критической температуры», изменяющейся от одного материала к другому, электроны соединяются в пары и образуют тип квантовой жидкости. Когда это происходит, электроны больше не отражаются в атомах и не создают электрическое сопротивление, что позволяет им течь без потери энергии.
Главной целью исследований сверхпроводимости с тех пор было повышение критической температуры.
Десятилетиями физики достигали постепенного прогресса, постоянно повышая критическую температуру, испытывая разные комбинации элементов. В последние годы появился один многообещающий класс материалов, известных как гидриды.
Гидриды — это соединения, объединяющие водород с более тяжелыми атомами, такими как сера или металлы. Чем больше водорода, тем лучше для сверхпроводимости, считают физики. Исследователи иногда добавляют напыление из других атомов, таких как углерод или азот, чтобы еще больше настроить свойства материала.
Первый сверхпроводящий гидрид, о котором сообщалось в 2015 году, достиг своего перехода при температуре минус 70 градусов по Цельсию и давлению 155 гигапаскалов (приближается к половине давления ядра Земли).
В течение трех лет та же группа, а также другая группа создали еще больше насыщенных водородом «супергидридных» материалов, которые могли быть сверхпроводником при температурах до минус 13 градусов по Цельсию и давлении 190 гигапаскалов.
Новый материал от группы Диас превосходит все предыдущие достижения. Последние несколько лет команда Диаса работала над супергидридом на основе лютеции. Чтобы изготовить образец, команда намочила тонкую пленку лютеции в ароматизаторе, состоящем из 99% водорода и 1% азота, выпекая ее в течение нескольких дней при 200 градусах Цельсия.
Затем алмазная наковальня сжимала образец под давлением 2 гигапаскаля. Далее команда постепенно ослабляла наковальню, проверяя образец на сверхпроводящие свойства.
Диас сказал, что из сотен полученных образцов они смогли наблюдать сверхпроводимость в десятках образцов даже после того, как давление было снижено до 1 гигапаскаля.
Чтобы продемонстрировать сверхпроводимость, команда выполнила три классических теста. При критической температуре они показали падение сопротивления и пик свойства, связанного с тем, насколько легко нагревается материал.
Группе также удалось непосредственно измерить вытеснение магнитного поля из образцов — однозначный признак сверхпроводимости под названием эффект Мейснера, никогда ранее не убедительно продемонстрированного в супергидриде. Интересно, что образец также изменял цвет от синего до розового до красного синхронно с изменениями его фазы.
Графики статьи – это именно то, что ищут исследователи, когда проверяют сверхпроводимость. Убедительные доказательства волнуют многих ученых, десятилетиями искавших материалы, которые могли бы приблизить это явление к повседневным условиям.
«Я очень рад увидеть результат. И я ни в коем случае не сомневаюсь, что то, что они наблюдают, именно такое», — сказал Сиддхарт Саксена, физик из Кембриджского университета, не участвовавший в этой работе.
Ева Зурек, химик-теоретик из Университета Буффало, которая часто общается с Рочестерской группой, но также не участвовала в исследованиях, сказала, что материал, который сверхпроводящий при таких условиях, «повлияет на каждый аспект нашей жизни так, как мы не можем себе представить».
Хэмлин соглашается, что демонстрация «обзор всех видов измерений, которые вы хотели бы увидеть на этом материале, создавая именно тот тип данных, который вы надеетесь увидеть».
Запятнанная репутация
Однако Хэмлин и другие исследователи настаивают на том, что прошлое группы требует, чтобы их сегодняшние претензии исторической важности подвергались тщательному анализу.
«Есть много доказательств сверхпроводимости, если принять это за чистую монету, – сказал Хорхе Гирш, физик из Калифорнийского университета в Сан-Диего. – Но я не верю ни во что из того, что говорят эти авторы».
Гирш сказал, что его недоверие вытекает из продолжительной истории обвинений в исследовательских преступлениях против предыдущих и нынешних членов группы.
Совсем недавно, в 2020 году, Диас и его соавторы опубликовали исследование углеродного гидрида серы (CSH), достигшего критического перехода примерно при 14 градусах Цельсия и 267 гигапаскалях.
Почти сразу несколько экспертов заметили необычные закономерности в данных, используемых для проверки реакции материала на магнитные поля.
Когда Диас и его постоянный сотрудник Ашкан Саламат, физик из Университета Невады в Лас-Вегасе, год спустя обнародовали свои необработанные данные в форме 149-страничного документа, они подробно описали необычный и сложный метод устранения фоновых магнитных помех — один, по их словам, был необходим для обнаружения крошечного магнитного поля, отклоняющегося маленьким образцом. Этот метод не соответствовал тому, как они описали процедуру в оригинальной статье, что заставило Nature в сентябре прошлого года опубликовать отзыв этой статьи.
Хуже и другие физики утверждают, что проблемы выходят за рамки обманчивой путаницы по отношению к магнитному фону. В сентябре Хирш и Дирк ван дер Марель, почетные профессора Женевского университета, опубликовали заявление о том, что Диас и Саламат обнародовали как необработанные данные CSH, которые на самом деле были получены из опубликованных данных.
«[Мы] в основном математически доказали, что необработанные данные не измеряются в лаборатории; они сфабрикованы», — сказал Гирш.
Хэмлин независимо опубликовал препринт в октябре прошлого года, в котором утверждал, что данные удельного электрического сопротивления также были обработаны нераскрытым способом — новое обвинение на вершине проблемы, приведшее к отзыву в 2022 году.
Диас энергично защищает свою работу. Через несколько месяцев после отзыва статьи Диас провел дополнительные эксперименты с материалом CSH в Аргоннской и Брукхейвенской национальных лабораториях. В них он пригласил независимых ученых наблюдать сверхпроводящий переход материала.
Недавно он подал новую рукопись в журнал Nature, в котором повторяется утверждение о высокотемпературной сверхпроводимости в CSH с строгостью, на которой он настаивает, чтобы развеять прошлые обвинения.
«Свидетели нашей работы показали наше открытие. Мы продемонстрировали, что CSH работает для достижения сверхпроводимости, как и «красная материя», — сказал Диас, ссылаясь на неофициальное название нового материала на основе лютеции, вдохновленной «Звездным путем». – Вы можете верить доказательствам или нет, но вы не можете их игнорировать».
Нилеш Салке, физик из Университета Иллинойса, Чикаго, помогавший в проведении новых измерений и не участвовавший в исследованиях 2020 года, сказал, что «новая работа подтверждает сверхпроводимость в CSH». Он назвал открытие нового материала лютецию «прекрасным», добавив, что это «важная веха в области сверхпроводимости».
Однако статья CSH — не единственная связанная работа, которую критикуют. Один из соавторов статьи CSH, Мэтью Дебессай, был первым автором исследования 2009 года, утверждавшим о сверхпроводимости третьего материала, европии. Публикация позже была отозвана из-за представления изменившихся данных (Диас не был соавтором этой статьи).
Хирш утверждает, что в этой публикации «данные скопированы и вставлены в другой регион». Другие утверждали, что некоторые данные в другой недавней работе Диаса были дублированы из данных, полученных при изучении совершенно другого вещества.
Диас решительно отрицает все обвинения в противоправных действиях и продолжает прилагать усилия, чтобы четко подтвердить свои заявления об обнаружении сверхпроводимости при обычных температурах и низком давлении. Он подчеркивает, что последняя статья, описывающая сверхпроводимость низкого давления в материале лютеции, прошла чрезвычайно тщательный процесс экспертной проверки, включавший несколько раундов проверки в течение большей части года.
Диас также сказал, что он поделился всеми своими необработанными данными из Nature и что они будут опубликованы вместе с новым результатом. Несколько независимых экспертов выразили уверенность в способности журнала Nature обеспечить точный результат.
«Я почти уверен, что редактор Nature и рецензенты, по-видимому, приготовили их на гриле, прежде чем дать зеленый сигнал», — сказал Салке.
«Для меня сложно представить повторный отзыв, — сказал Михаил Еремец, физик из Института химии Макса Планка в Германии, возглавлявший открытие гидридных сверхпроводников. – Мы должны рассмотреть это серьезно, несмотря на предысторию».
Диас подчеркнул, что он и его коллеги были абсолютно прозрачны во время тщательного процесса проверки. «На этот раз мы отдали все, – сказал он. — все техники. Рецензенты имели доступ ко всем данным».
Прекрасный процесс пересмотра, наложенный на неопределенную историю, оставил некоторых исследователей во взвешенном состоянии. «Я уже не знаю, во что верить, – сказал ван дер Марель. – Вот и вся проблема.»
Подтверждение и коммерция
В конце концов, принятие открытия более широким сообществом исследователей будет зависеть от других лабораторий. Смогут ли они воспроизвести материал и подтвердить его сверхпроводящие свойства? Есть основания надеяться, что ответ будет относительно быстро.
Хотя в мире есть лишь несколько групп, которые могут работать с невероятно высоким давлением алмазной наковальни, необходимой для выявления сверхпроводимости в CSH, существуют десятки лабораторий, которые могут работать в режиме низкого давления на основе лютеции, — сказал Хэмлин.
Диас сказал, что в последние несколько месяцев его лаборатория работала над тем, чтобы полностью удалить элементы алмазной наковальни из процесса, что могло бы еще больше ускорить усилия для подтверждения находки.
Чтобы позволить другим лабораториям точно воспроизвести результаты, группа должна быть готова поделиться всем своим набором необработанных данных вместе с подробными методами подготовки образцов или отправить образцы своего материала в другие лаборатории для тестирования, сказал Хэмлин.
Однако внешняя проверка открытия может не оправдать надежд. Диас и Саламат основали стартап Unearthly Materials, который, по словам Диаса, уже привлек более 20 миллионов долларов от инвесторов, включая генеральных директоров Spotify и OpenAI.
Они также недавно подали заявку на патент на материал гидрид лютеции, что удержит их от отправки образцов по почте. «У нас есть четкие, подробные инструкции, как делать наши образцы, – сказал Диас. – Мы не собираемся распространять этот материал, учитывая защищенный характер наших процессов и существующие права интеллектуальной собственности».
«Не нарушая законов об интеллектуальной собственности, мы рады поделиться тем, что сделали, – сказал Диас. – Также есть некоторые ограничения, но я думаю, что мы можем что-то выработать».
По материалам: Quanta
