За последние недели тема сверхпроводимости стала популярной, за что можно поблагодарить южнокорейских учёных. Или поругать, если начать глубже разбираться с этим вопросом. Они сообщили об открытии якобы сверхпроводника LK-99, который обладает нулевым сопротивлением электрическому току при комнатных температуре и давлении, но при этом сами сделали многое, чтобы заставить специалистов усомниться в этом открытии. Но интерес к LK-99 пока не угас.

Левитация немагнитного материала LK-99 в магнитном поле. Источник изображения: Hyun-Tak Kim

«Многое в минералогическом пространстве может быть рассмотрено и исследовано с целью поиска интересной физики, — в интервью с изданием Quartz сказал Майкл Норман (Michael Norman), ведущий научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории, работающий в области высокотемпературных сверхпроводников. — Ничто в законах физики не препятствует существованию [сверхпроводников комнатной температуры]. В этом и заключается смысл инвестирования в науку: никогда не знаешь, что найдешь».

Все сто и более лет поиска сверхпроводимости при комнатных условиях дают надежду на обнаружение таких соединений, и оно может произойти совершенно случайно и с неожиданной стороны, поэтому заявление южнокорейских учёных об открытии материала LK-99 могло оказаться тем, что наука ищет давно и пока без прорывов — обнаружением сверхпроводника при комнатной температуре и обычном давлении. Более того, чудо-материал синтезируется достаточно просто и из простых элементов — свинца, меди, фосфора и кислорода. Его открытие многое изменило бы в лучшую сторону в энергетике и приборостроении. Но трудности с подтверждением открытия начались сразу же, что ещё сильнее усугубили фейковые новости и даже поддельные видео на его счёт.

Первые осторожные новости о подтверждении сверхпроводящих свойств LK-99 как в теории, так и на практике начали поступать из малоавторитетных источников. Из серьёзных лабораторий первыми начали говорить о синтезе LK-99 и проверке его сверхпроводящих свойств учёные из Индии и Китая. Все они не подтвердили свойства LK-99 как сверхпроводника, но отметили признаки интересной физики у этого соединения. В конечном итоге LK-99 может проявить свойства намагниченности при отсутствии магнитных металлов в его составе. Надо ли говорить, что нам магниты всегда интересны с точки зрения хранения данных?

Косвенно о возможных необычных свойствах соединения LK-99 говорит то, что ведущие американские и европейские лаборатории пока сохраняют молчание в отношении этого материала. Если бы LK-99 был полной пустышкой, мы бы, скорее всего, уже услышали об этом. Он может не быть сверхпроводником при обычных условиях, но вполне способен подтолкнуть науку о сверхпроводимости в перспективном направлении и даже в правильном!

Профессор Норман напомнил, что одни из самых перспективных сегодня высокотемпературных сверхпроводников — семейство соединений меди (купратов), которое было открыто в 80-х годах прошлого века, обнаружило высокотемпературную сверхпроводимость только спустя полгода после открытия. С материалом LK-99 всё произошло наоборот — сначала заявили о сверхпроводимости, но доказать её или опровергнуть (или обнаружить в нём нечто необычное другое) — на это потребуется дополнительное время.

Кроме учёных из Индии и Китая ряд учёных из США и Великобритании представили совместное заявление, в котором сообщили о том, что не обнаружили сверхпроводимость в LK-99. Российские учёные из Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук также имеют пакет вопросов к открытию, и проводят собственный анализ статей южнокорейских коллег с намерением воспроизвести их результат, хотя предварительно настроены достаточно скептично к заявленным свойствам LK-99. В чём можно не сомневаться, новости о LK-99 пока не думают прекращаться, и в споре родится истина.

Создатель видео из Пекинского университета науки и технологий (USTB), демонстрирующего левитацию сверхпроводника LK-99, признался в обмане и удалил ролик. Другими словами, на видео не демонстрировалась левитация немагнитного материала в магнитном поле в нормальных условиях. Несмотря на это, вопросы о подлинности свойств LK-99 остаются открытыми.

Источник изображения: Hyun-Tak Kim

Скандальное видео, которое якобы демонстрировало сверхпроводящие свойства, а именно эффект Мейсснера (левитацию в магнитном поле), материала под названием LK-99 при комнатной температуре, вызвало множество дискуссий в научном сообществе. Однако автор ролика, размещённого на платформе Billibilli, признал, что его видео — подделка. В ролике показан маленький чёрный объект, который, казалось, левитирует, следуя за магнитом. По словам автора, его целью было привлечь внимание к себе, используя гипотезу о свойствах LK-99.

Тем не менее стоит отметить, что в Сети существуют ещё по крайней мере два видео с демонстрацией левитации LK-99, которые пока не были опровергнуты. Эти ролики были сняты в Хуачжунском университете науки и технологий (HUST) и Уханьском университете (WHU).

Каждый раз, когда появляется информация о потенциально революционном открытии, таком как «мы нашли первый в мире сверхпроводник, работающий при комнатной температуре», она вызывает множество дискуссий и споров. Важно понимать, что вопрос о том, является ли LK-99 настоящим сверхпроводником, до сих пор не разрешён.

Научное сообщество часто сталкивается с проблемой проверки достоверности информации, распространяемой через социальные сети. Даже при строгом научном подходе сложно отсеивать информационный шум, особенно когда речь идёт о таких сложных областях, как квантовая физика.

Стоит также упомянуть, что статья корейских учёных, которые создали LK-99 и обнаружили его сверхпроводниковые способности, до сих пор находится на этапе экспертной оценки. В прошлом уже были случаи публикации статей в авторитетных журналах, включая Nature, которые впоследствии оказались мошенническими.

Сверхпроводники представляют огромный интерес для науки из-за их потенциального влияния на различные области. Однако материаловедение — это сложное дело, и не всегда всё является таким, каким кажется на первый взгляд. Скандал вокруг видео с LK-99 стал напоминанием о том, как важно критически подходить к любой информации и проводить тщательную проверку перед тем, как делать выводы.

К изучению свойств материала LK-99, в котором южнокорейские учёные якобы обнаружили сверхпроводимость при комнатных условиях, приступили серьёзные лаборатории. В Nature вышла заметка с подбором ссылок на такие исследования, в ходе которых учёные не смогли подтвердить синтез LK-99 или его сверхпроводимость.

Источник изображения: Adam Fenster/University of Rochester

Заявление южнокорейских исследователей о сверхпроводящих свойствах материала LK-99 при комнатных условиях стало сетевой сенсацией. И немудрено! Явление сверхпроводимости без экстремально низких температур и запредельных давлений может изменить многие стороны нашей жизни, начиная от обеспечения электричеством городских потребителей, где потери энергии колоссальные и они постоянно растут по мере увеличения нагрузки (привет электромобилям) и заканчивая ручными сканерами МРТ или компактными термоядерными реакторами.

Первые попытки воспроизвести LK-99 не позволили повторить открытие южнокорейских исследователей. В частности, это попыталась сделать группа учёных из Национальной физической лаборатории Индии в Нью-Дели и группа из Университета Бейханг в Пекине. Обе они синтезировали LK-99, но признаков сверхпроводимости не обнаружили. Третья группа — из Юго-Восточного университета в Нанкине — не обнаружила в материале эффекта Мейсснера (левитации в магнитном поле), но заявила о нулевом сопротивлении материала току при температуре -163 °C. Это далеко не комнатная температура, но определённо высокотемпературный сверхпроводник, да ещё при обычном давлении.

Следует сделать оговорку, что учёные пока не могут с уверенность сказать, что они синтезировали тот же самый материал, что и корейцы. Для анализа электронной структуры образцов использовалась рентгеновская дифракция. Команда из Национальной физической лаборатории Индии в Нью-Дели признала, что структура их образца немного отличается от той, которую в своих работах представили учёные из Южной Кореи. По мнению Роберта Палгрейва (Robert Palgrave), химика из Университетского колледжа Лондона, от оригинала отличается не только кристаллическая структура материала у индийской команды, но также и у китайской, и обе они вообще разные. Поэтому рано говорить о повторении опыта корейских учёных.

Кристаллическая структура третьего образца, который синтезировала группа из Юго-Восточного университета в Нанкине, больше похожа на строение оригинального LK-99. И этот образец якобы показал свойства высокотемпературного сверхпроводника, но несколько учёных указали на то, что измерение сопротивления велось с недостаточной, по их мнению, чувствительностью, и заявление о сверхпроводимости при температуре -163 °C может быть ошибкой.

Первые теоретические исследования LK-99 показали, что материал может обладать интересными свойствами, включая сверхпроводимость. Для компьютерного анализа кристаллической и электронной структуры LK-99 использовалась теория функционала плотности. Первой такой анализ сделала специалист из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли Синеад Гриффин (Sinéad Griffin). Она обнаружила, что LK-99 имеет так называемые плоскополосные зоны, где электроны резко замедляются. Подобное свойство связывают с так называемой плоскозонной сверхпроводимостью Дирака. В любом случае, обнаружение «плоских зон» означает наличие у материала необычных свойств.

Позже г-жа Гриффин публично объявила, что она ни в коем случае не имела в виду, что её исследование доказывает сверхпроводимость LK-99. На самом деле, у учёных до сих пор нет однозначного представления о том, какая именно структура у материала LK-99. Это не позволяет провести полноценный анализ его свойств и сделать уверенный вывод о наличии либо отсутствии сверхпроводящих явлений при комнатных условиях. Неопределённость рождает надежду, но невоспроизводимость её похоронит.

Добавим, на англоязычной страничке материала LK-99 в Википедии ведётся подбор научных работ по исследованию свойств LK-99. Сейчас там менее двух дюжин исследований, но их число продолжает расти.

Появились первые независимые исследования по проявлению сверхпроводимости при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении. Без связи друг с другом учёные из США и Китая повторили условия корейского эксперимента и получили похожие результаты. И хотя победу праздновать рано, надежда на чудесное открытие не угасает, хотя многие исследователи по-прежнему настроены очень скептично.

Левитация немагнитного материала LK-99 в магнитном поле. Источник изображения: Hyun-Tak Kim

Напомним, в конце июля на сайте arXiv появились две статьи, в которых учёные из Южной Кореи сообщили об открытии сверхпроводимости при обычных условиях. Синтезированный учёными материал LK-99 демонстрировал все характеристики, свойственные сверхпроводникам. В частности, он обладал нулевым сопротивлением току при температуре около 30 °C и полностью терял сверхпроводимость после 127 °C. Также этот немагнитный материал проявлял эффект Мейсснера — парил в воздухе в магнитном поле.

Более ста лет движения в потёмках в поисках высокотемпературных сверхпроводников не позволяют учёным мира встретить такую удачу с распростёртыми объятиями. Скептики нашлись сразу. Но для полноценного опровержения или подтверждения открытия необходимо нечто большее — повторение результатов работы. И первые шаги на этом пути сделаны. Как минимум, две научные группы сообщили, что материал LK-99 соответствует ожиданиям от высокотемпературных сверхпроводников.

Так, специалист из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли Синеад Гриффин (Sinéad Griffin) проанализировала оригинальную статью на суперкомпьютере лаборатории. Моделирование подтвердило заявленные корейцами характеристики материала LK-99. Иначе говоря, в теории всё выглядит правдоподобно. Более того, было получено подтверждение, почему образец LK-99 левитировал как-то однобоко.

Как показал анализ, эффект сверхпроводимости проявляется не во всём материале, а только в областях, где кристаллическая решётка обладала наибольшей энергией. Поскольку всё во Вселенной стремится свести свои энергетические состояния к минимальному уровню, энергичные области и сверхпроводимость сами собой не появятся. К этому их необходимо будет подталкивать всеми возможными способами, что, в принципе, решается. О проделанной работе г-жа Гриффин сообщила в специальном письме, которое опубликовано на сайте arXiv.

Ещё дальше пошли китайские учёные из Хуачжунского университета науки и технологии. Они воспроизвели в лаборатории представленный корейцами процесс и самостоятельно синтезировали образец материала LK-99. Полноценного исследования образца пока не было или нам об этом неизвестно, но они проделали самый доступный опыт — поднесли к нему магнит и увидели, как немагнитный образец поднимается в воздух, что с большой вероятностью соответствует сверхпроводимости в комнатных условиях. Правда, демонстрационное видео выглядит несколько странно.

Можно не сомневаться, что множественные эксперименты с LK-99 сейчас проводятся в массе больших и малых лабораторий мира. Нюанс в том, что доверия к малоизвестным лабораториям нет, а серьёзные научные институты стараются блюсти авторитет, и не будут спешить с публикациями. Но известно, по крайней мере, о семи работах в этом направлении, среди которых можно выделить две полярные: исследование в Национальной физической лаборатории Индии, которое пока не может подтвердить наличие комнатной сверхпроводимости «в полном объёме» образца LK-99, чтобы это ни значило, и опыты на кухне российской энтузиастки под ником Iris Alexandria, которая упрекает южнокорейских коллег в плохом знании химических процессов и даёт рекомендации по улучшению синтеза LK-99.

Безусловно, если свойства материала LK-99 как сверхпроводника подтвердятся в полном объёме, это станет новой страницей в истории Земли. Подобное всколыхнёт общество и уже обрастает легендами. Слухи говорят о конфликте в коллективе южнокорейских учёных, об увольнениях и отзывах научных статей, о путанице в описании техпроцесса, об изменениях статей в ответ на вопросы научного сообщества, о случайности открытия (герметичная капсула с образцом была случайно разбита, когда её доставали из печи) и о многом другом, что неизбежно сопровождает события, которые будет иметь для всех серьёзные последствия. Надеемся, что это будет именно так. Миру нужны хорошие новости.

Открытие сверхпроводимости при комнатных условиях стало громом среди ясного неба и его подтверждение независимыми группами изменит наш мир. В своей массе учёные пока не готовы с этим согласиться, настолько длительным и трудным был и остаётся научный путь к передаче энергии без потерь. Опрос изданием New Scientist профильных специалистов показал, что большинство исследователей встретило новость со скептицизмом.

Левитация немагнитного материала LK-99 в магнитном поле. Источник изображения: Hyun-Tak Kim

В своём интервью изданию один из авторов открытия — южнокорейский учёный Хьюн-Так Ким (Hyun-Tak Kim) из Колледжа Уильяма и Мэри в Вирджинии — сказал, что одна из размещённых на сайте arXiv статей (их там две по теме открытия) выложена без его ведома и содержит «много дефектов». Вероятно, речь идёт об этой статье, тогда как учёный участвовал в написании этой статьи. Статья за авторством Хьюн-Так Кима проходит этап рецензирования и движется к печати в одном из ведущих научных журналов мира. Вскоре это произойдёт.

В открытии материала LK-99 (буква K в его названии — это первая буква фамилии учёного, а цифра — год первого открытия материала) сыграли роль как многочисленные эксперименты, так и случайно сделанное наблюдение. Для области сверхпроводящих материалов — это норма, поскольку учёные в этой сфере во многом полагаются на удачу. Поймала ли группа Кима удачу за хвост, или нет, мы узнаем довольно быстро после полноценной публикации статьи об исследовании. Учёный обещает помочь советами любой группе, которая попытается повторить условия его эксперимента.

На самом деле, процесс создания чудо-материала очень простой. Как, возможно, напишут через десять лет в методичках для лабораторных работ по физике для 7-го класса, для получения материала необходимо смешать порошки сульфата и оксида свинца и нагреть эту смесь на воздухе до образования ланаркита. В отдельной посуде смешиваем медь и порошок фосфора и нагреваем в вакууме до образования кристаллов. Затем соединяем измельчённые кристаллы и ланаркит с последующим нагревом в вакууме. В результате получается соединение, которое парит над магнитом при комнатной температуре, что воспроизводит эффект Мейсснера (видео по ссылке).

Скептики отметили, что образец материала толщиной чуть больше миллиметра левитирует как-то однобоко, одним концом касаясь поверхности магнита. На это учёный заметил, что чистота образца оставляет желать лучшего и это можно исправить.

Измерение токовых характеристик LK-99 образца показало, что его удельное сопротивление резко падает почти до нуля при температуре 30 °С. По мере роста к критическому значению температуры 127 °С, после которого эффект сверхпроводимости прекращает своё действие, сопротивление увеличивается до заметного уже к 105 °С. Так что совсем без охлаждения новая сверхпроводимость не обойдётся. По крайней мере, на открытом воздухе для её поддержания потребуется система кондиционирования. С летающими досками как в фильме «Назад в будущее» придётся подождать, но для комнатных применений особых преград нет.

Опрошенные изданием Сюзанна Спеллер (Susannah Speller) и Крис Гровенор (Chris Grovenor) из Оксфордского университета утверждают, что когда материал становится сверхпроводящим, это должно быть чётко выражено в ряде измерений. По словам Спеллер, в опубликованных материалах она не увидела убедительных данных по изменению характеристик материала в магнитном поле и данных по изменению его теплоёмкости. «Поэтому пока рано говорить о том, что нам представлены убедительные доказательства сверхпроводимости в этих образцах», — резюмировала она (но старый свинцовый аккумулятор в утиль пока решила не сдавать, шутка).

Другие эксперты, с которыми консультировался New Scientist, также скептически отнеслись к результатам и полученным данным. Некоторые из них высказали опасение, что часть результатов может быть объяснена ошибками в экспериментальной процедуре в сочетании с несовершенством образца LK-99. Также учёные ставят под сомнение теоретическое обоснование явления, сделанное группой Кима.

«По словам Кима, он знает о скептическом отношении, но считает, что другие исследователи должны попытаться повторить работу его группы, чтобы решить этот вопрос. Как только результаты исследования будут опубликованы в рецензируемом журнале, что, по словам Кима, находится в процессе, он окажет поддержку всем, кто захочет самостоятельно создать и испытать LK-99. Пока же он и его коллеги продолжат работу над совершенствованием своих образцов предполагаемого чудо-сверхпроводника и перейдут к его серийному производству», — завершает статью источник.

На сайте arXiv обнаружилась статья, которая может стать предвестником нового мира. В ней южнокорейские учёные сообщают об открытии сверхпроводимости при комнатных температурах и обычном атмосферном давлении. Такое открытие трудно переоценить, тем более что для обнаруженной сверхпроводимости не нужны особые материалы и условия — всё происходит на коленке, в чём помогли разобраться многочисленные эксперименты и случайное открытие.

Источник изображения: Adam Fenster/University of Rochester

Интересно отметить, что в южнокорейской сети научных статей об открытии заявлено ещё 30 апреля и только публикация на arXiv стала тем камушком, который сегодня-завтра вызовет лавину новостей об открытии. Передача электричества без потерь, левитация, квантовые технологии без сверхохлаждения, термоядерные реакторы в каждый дом — это и многое другое даст сверхпроводимость при комнатной температуре и обычном давлении.

От сверхпроводимости так много ожиданий, что даже не верится в её открытие. Учёные идут в потёмках к ней более ста лет. Физика процесса до конца не ясна, и какие материалы нужны для неё — это тоже большой вопрос. Американские учёные два года назад заявляли о чём-то подобном, но были уличены в подлоге, и лишились своих публикаций в ведущих мировых научных изданиях. Открытие корейских учёных также будет подвергнуто анализу, о результатах которого мы скоро узнаем. По их словам, там всё просто и поставить контрольные эксперименты труда не составит.

Проблема с открытием «бытовой» сверхпроводимости в том, заявляют южнокорейские исследователи, что физики были ограничены в своём понимании явления. Исследователям позволило сделать открытие использование статистической термодинамики, основанной на теории жидкостей. Согласно гипотезе, необходимо было ограничить число электронных состояний — фактически привести их к одномерному. Одновременно электрон-электронные взаимодействия должны быть достаточно частыми, чтобы электроны обладали свойствами, свойственными жидкости.

В ходе многочисленных экспериментов в указанном направлении учёные разработали сверхпроводящий материал под названием LK-99, в открытии которого помогло случайное наблюдение.

«Впервые в мире удалось синтезировать комнатно-температурный сверхпроводник (Tc≥400 К, 127 °C), работающий при атмосферном давлении, с модифицированной структурой свинца-апатита (LK-99)», — сказано в преамбуле к научной статье. Учёные доказали сверхпроводящие свойства материала с помощью критической температуры (Tc), нулевого сопротивления, критического тока (Ic), критического магнитного поля (Hc) и эффекта Мейсснера (левитация в магнитном поле).

Сверхпроводимость LK-99 обусловлена незначительными структурными искажениями, вызванными небольшой объёмной усадкой материала (0,48 %), а не внешними факторами, такими как температура и давление. Усадка кристаллической структуры, в свою очередь, вызывается замещением ионами Cu²⁺ ионов Pb²⁺ в изоляционной сети фосфата Pb. Уникальная структура LK-99, позволяющая сохранять мельчайшие искажения на уровне кристаллической структуры, является важнейшим фактором, обеспечивающим сохранение и проявление сверхпроводимости.

Швейцарские физики поставили эксперимент, который может служить почти абсолютным доказательством существования эффекта квантовой запутанности. Этот вопрос крайне смущал многих физиков прошлого века, включая Альберта Эйнштейна, и был предметом постоянных споров. Для нового эксперимента построили 30 метров вакуумной трубы с криогенным охлаждением, чтобы фотон как можно дольше летел от одной запутанной частицы к другой и не успел вмешаться в измерения.

Устройство 30-м трубы из эксперимента с волноводом посередине. Источник изображения: ETH Zurich/Daniel Winkler

Эйнштейн не мог смириться с мыслью, что квантово запутанные частицы мгновенно влияют друг на друга на условно бесконечных расстояниях. В таком случае они должны «передавать информацию» быстрее скорости света. По его мнению, мы просто не всё знаем о квантовой физике, и могут быть какие-то скрытые параметры, которые уже содержатся в характеристиках частицы и выдаются в ответ на измерение свойств одной из запутанных частиц.

Например, если мы измерили направление спина одного из пары запутанных фотонов, то информация о спине второго (оно будет противоположным по направлению) становится известна мгновенно, где бы этот второй фотон из пары не находился. Это также называют эффектом квантовой телепортации.

Для определения системы на наличие скрытых параметров в 60-х годах прошлого века физик Джон Белл предложил мысленный эксперимент, который уже в семидесятые годы поставил Джон Клаузер (за что ему, в частности, была присуждена Нобелевская премия по физике за 2022 год). В классической системе (нашем с вами мире) неравенства Белла соблюдаются всегда, тогда как в квантовом мире они нарушаются.

Если применить неравенства Белла к запутанным частицам, то случайное измерение двух запутанных частиц одновременно должно либо удовлетворять неравенствам, либо нарушать их. В последнем случае это будет доказательством, что никаких скрытых параметров нет и частицы «передают информацию» по законам квантовой физики — быстрее скорости света.

Учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) создали криогенную установку, в которой фотон путешествует дольше, чем ведутся локальные измерения связанных частиц. По 30-м трубе в вакууме с охлаждением до -273°C микроволновый фотон пролетает с одного конца в другой за 110 нс. Измерения длились на несколько наносекунд быстрее. Никакая информация по классическим законам не могла передаться за это время, тогда как эффект квантовой запутанности частиц себя полностью проявил.

До этого применение неравенств Белла предполагало лазейки в постановке экспериментов. Устранить все спорные места мог только эксперимент, в ходе которого измерения должны проводиться за меньшее время, чем требуется свету, чтобы пройти от одного конца к другому — это доказывает, что между ними не было обмена информацией.

«В нашей машине 1,3 [тонны] меди и 14 000 винтов, а также огромное количество знаний по физике и инженерных ноу-хау», — сказал квантовый физик из ETH Zurich Андреас Валлрафф (Andreas Wallraff).

У поставленного эксперимента была и другая цель — убедиться, что сравнительно большие сверхпроводящие системы могут обладать квантовыми свойствами. В опыте участвовали две сверхпроводящие схемы, которые играли роль связанных частиц, тогда как обычно речь идёт о запутывании элементарных частиц типа электронов, фотонов или атомов. В эксперименте использовались объекты нашего большого мира, и они отыграли по законам квантовой физики.

Это означает, что на основе сверхпроводящих макросистем можно строить квантовые компьютеры, осуществлять квантовую связь и делать много другого интересного не углубляясь до таких тонких и пугливых (сверхчувствительных) материй, как элементарные частицы. В этом скрыт небывалый потенциал, который учёные намерены разрабатывать дальше.

В науке нет единого мнения и стройной теории, которая могла бы привести к открытию сверхпроводимости при комнатной температуре и обычном давлении. Удивительно, учёные знакомы со сверхпроводимостью свыше 100 лет, но поиск новых материалов всё ещё идёт наугад. Поэтому открытие группы российских и китайских учёных обещает чуть больше удачи в поиске практической сверхпроводимости — они обосновали, где и как лучше её искать.

Источник изображения: Pixabay

Если говорить о работе в целом, результаты которой удостоились публикации в престижном издании Nature Communications, то исследователи из Цзилиньского университета, Центра передовых исследований в области науки и технологий высокого давления (Китай) и Сколковского института науки и технологий синтезировали полигидрид лантана-церия — вещество, которое может упростить дальнейшие исследования сверхпроводников. На примере этого материала учёные показали, как можно менять кристаллическую структуру материала, чтобы двигаться как в сторону снижения рабочего давления сверхпроводника, так и по пути повышения рабочей температуры.

Полигидриды — это вещества с очень высоким содержанием водорода. В эту группу, в частности, входит текущий рекордсмен по высокотемпературной сверхпроводимости — полигидрид лантана LaH₁₀ с критической температурой −23 °C. К сожалению, он нестабилен при давлении меньше 1,5 млн атмосфер. С другой стороны есть купраты. Среди них сверхпроводник, который работает при обычном атмосферном давлении, но при этом требует охлаждения до −140 °C.

Традиционно поиски сверхпроводящего материала среди полигидридов лантана и церия велись раздельно. Между тем, атомы этих веществ могут заменять друг друга в кристаллической решётке. Это позволяет находить такие комбинации, которые будут стабильными в смешанном составе, тогда как по отдельности они остаются нестабильными. Тем самым смешанные составы полигидридов лантана-церия могут подбираться таким образом, чтобы они показывали сверхпроводимость при более высокой температуре и более низком давлении. Так шаг за шагом можно выйти на желаемую комнатную сверхпроводимость, хотя от полигидридов, в целом, именно этого учёные не ожидают.

В своей работе российские и китайские учёные показали, что комбинированный материал показал устойчивость при давлении 1 млн атмосфер и охлаждении до −97 °C, хотя первоначальная структура (LaH₁₀) была стабильна лишь при 1,5 млн атмосфер и охлаждении до −140 °C. При этом добавление до 30 % церия к базовому составу придало атомарной структуре вид, свойственный гексагональному кристаллу CeH₉. Таким образом, комбинируя составы можно двигаться в сторону практической сверхпроводимости, уверены учёные.

«Полигидриды — настоящее эльдорадо для фундаментальных исследований сверхпроводников под давлением, — сказал один из авторов работы профессор «Сколтеха» Артём Оганов. — И в своей работе мы, с одной стороны, проверяем и совершенствуем приёмы и инструменты, необходимые для поиска сверхпроводников в широком смысле. С другой стороны, мы нашли сравнительно неприхотливый материал для дальнейших исследований».

На очереди исследование других полигидридов — кальция, иттрия, лантана и магния.

На днях мир облетела новость о достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. О прорыве в самом авторитетном в мире научном журнале Nature сообщили учёные из университета Рочестера в Нью-Йорке. Материал в Nature стал спусковым крючком для появления восторженных публикаций во всех мировых СМИ. Отдельные осторожные голоса практически потонули в общей массе восторгов, но теперь критика возвращается.

Источник изображения: Adam Fenster/University of Rochester

На этой неделе на сайте arXiv вышел препринт статьи учёных из Пекина и американского штата Иллинойс, в которой рассказано о попытке воспроизвести условия «рочестерского эксперимента». Учёные синтезировали легированный азотом гидрид лютеция (LuH_2±xN_y) темно-синего цвета и с соответствующей структурой. После они попытались добиться от него перехода в сверхпроводимое состояние. Материал действительно стал сверхпроводимым, но отнюдь не в условиях комнатной температуры (21 °C) и сравнительно низкого давления (1 ГПа), как заверяли учёные из университета Рочестер

При атмосферном давлении наблюдалось металлическое сопротивление при температуре от 350 до 2 К (от 76,85 до -271,15 °С). При приложении давления от 2,1 до 41 ГПа наблюдалось постепенное изменение цвета от темно-синего, фиолетового до розово-красного. Измеряя сопротивление при давлении от 0,4 до 40,1 ГПа наблюдалось прогрессивно улучшающееся металлическое сопротивление без сверхпроводимости вплоть до 2 К. Температурная зависимость намагниченности при высоких давлениях показывает очень слабый положительный сигнал между 100 и 320 К (-173,15 и 46,85 °С), и намагниченность увеличилась с магнитным полем при 100 К. Учёные заключили, что при давлении ниже 40,1 ГПа добиться сверхпроводимости от обозначенного гидрида лютеция невозможно.

«В препринте статьи для Nature с описанием опыта китайские и американские исследователи явно не смогли даже отдалённо воспроизвести [заявленные ранее] результаты, — сказал в пятницу на конгрессе один из ведущих китайских физиков, комментируя сообщения о «комнатной» сверхпроводимости. — Если бы они это сделали, это была бы революция».

Сверхпроводимость при комнатной температуре действительно изменит мир до неузнаваемости. Она революционизирует транспорт, выработку и распределение электрической энергии, управление термоядерными реакциями, медицину и многое другое. К сожалению, это остаётся мечтой, несмотря на интенсивные поиски учёных во всём мире. Отдельные эксперименты дают надежду, но она продолжает оставаться призрачной.

Группа физиков из университета Рочестера в Нью-Йорке опубликовала в журнале Nature статью, в которой сообщила о достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. Открытие вещества с такими свойствами перевернёт мир. Поэтому работа группы привлекла самое пристальное внимание. У этого внимания есть и негативный подтекст — предыдущая работа группы (тоже в виде публикации в Nature) была отозвана с обвинением едва ли не в подтасовке результатов.

Источник изображения: Adam Fenster/University of Rochester

Поиск вещества со свойствами сверхпроводимости при обычных условиях сродни движению вслепую. Поэтому путь к этой цели будет усыпан внезапными открытиями, как в случае новой публикации, если она будет подтверждена независимыми работами. Новое соединение учёные назвали красной материей по мотивам вселенной «Стартрека», потому что оно под воздействием давления постепенно меняет свой цвет с синего на розовый и далее на красный.

В «розовом» состоянии вещество демонстрирует сверхпроводящие свойства всего при температуре около 21 °C. Правда, на него при этом оказывается давление около 10 тыс. атмосфер. Но это не проблема. Зная химический состав перспективного вещества, можно нащупать путь к возможности снизить давление до приемлемого или даже до давления окружающей среды. Дальнейшее увеличения давления окрашивает вещество в красный цвет и приводит его в состояние обычной металлической проводимости.

Источник изображения: Dasenbrock-Gammon et al., Nature, 2023

Удивительное соединение получено в камере с 99 % водорода и 1 % азота. В эту среду с подогревом до 200 °C на несколько дней помещался лютеций (Lu). Через время появлялось соединение синего цвета, свойство которого резко менялись в сторону сверхпроводимости при сдавливании на алмазной наковальне давлением около 10 тыс. атмосфер. Как утверждают исследователи, они провели тщательные замеры электромагнитных и электрических свойств нового материала в камере под давлением и уверены в его сверхпроводимости.

Также группа заявила, что снятая с публикации предыдущая статья заново обработана и ждёт обновлённой публикации. Учёные открыты для дискуссии и уверены в повторяемости своего эксперимента. Это заставляет надеяться, что сверхпроводимость при обычных условиях в обозримом будущем может перестать быть фантастикой. А вслед за этим нас ждут линии электропередач без потерь мощности, транспорт на магнитной подушке, термоядерные реакторы, квантовые компьютеры, портативные сканеры МРТ и многое другое.

Науке твистронике всего-то пять лет и как всё высокотехнологическое её, по определению Артура Кларка, сложно отличить от магии. В 2017 году учёные выяснили, что два наложенных друг на друга слоя графена при повороте на определённый «магический угол» начинают демонстрировать необычные свойства, которых нет у одиночных слоёв. Теперь учёные научились включать и выключать такие свойства простым электрическим импульсом — как лампочку выключателем.

Синим и фиолетовым обозначены слои нитрида бора, а графен между ними (и на врезке). Источник изображения: MIT

Термин «твистроника» (twistronics) родился в лаборатории Массачусетского технологического института, где первыми поставили целый ряд экспериментов с совмещением слоёв графена с поворотом на «магический угол» 1,1°. До недавних пор все эксперименты демонстрировали изменение проводимости в многослойном «магическом» графене от диэлектрика до проводника и сверхпроводника под воздействием внешнего электромагнитного поля и этому есть масса интересных применений.

Новое открытие позволяет управлять проводимостью графена с «магическим углом» буквально одним щелчком выключателя и эти состояния бистабильны — они сохраняются после исчезновения управляющего импульса. Фактически у нас появляется аналог транзистора, который по команде мгновенно переходит из закрытого или проводящего состояния в сверхпроводящее.

На этой основе можно построить сверхбыструю и экономичную электронику (сверхпроводимость не создаёт сопротивления перехода и рассевания тепла). Например, подобные ключевые элементы могли бы сыграть роль нейронов в искусственном мозге или нейроморфном процессоре, поскольку наподобие живых нейронов могли бы срабатывать при превышении заданного порога.

В основе переключаемого электрическими импульсами графена с «магическим углом» лежат предыдущие эксперименты, в которых было обнаружено, что при определённой ориентации графенового бутерброда из верхних и нижних изолирующих слоёв из нитрида бора составной материал приобретает свойства ферромагнетиков. Такие материалы сохраняют свои магнитные свойства даже при отсутствии внешнего магнитного поля. Тем самым новому составному материалу не нужно внешнее магнитное поле. Оно у него уже есть в составе. Остаётся только активировать свойства материала, для чего оказалось достаточно подавать на него короткие импульсы.

Секрет чудесных свойств оказался в спланированной ориентации всех слоёв материала — как графена с «магическим углом», так и изоляторов (верхнего и нижнего). Двухслойный графен с повёрнутыми на 1,1° слоями выровняли по кристаллической решётке верхнего изолятора из нитрида бора, а нижний изолятор (тоже из нитрида бора) повернули на 30° по отношению к верхнему.

В ходе экспериментов выяснилось, что если подавать на такой материал напряжение заданной величины, то графен меняет свою проводимость с изолятора, на проводник и сверхпроводник. Более того, эти состояния оказались бистабильными и после снятия управляющего напряжения сохранялись.

«Люди пытаются создать электронные устройства, которые выполняют вычисления, вдохновляясь мозгом, — говорит глава группы исследователей. — В мозге есть нейроны, которые при превышении определенного порога начинают работать. Точно так же мы нашли способ для графена с магическим углом резко переключать сверхпроводимость за определенным порогом. Это ключевое свойство для реализации нейроморфных вычислений».

Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США нашли новый способ производства мощных магнитов небольшого размера для термоядерных реакторов. Технология отличается простотой и надёжностью, что обещает приблизить появление коммерческих термоядерных реакторов и открыть человечеству доступ к бесконечной и чистой энергии.

Источник изображения: PPPL

Сегодня для исследовательских термоядерных реакторов всех типов и также для реактора ИТЭР создаются магниты на основе низкотемпературной сверхпроводимости (реже — обычные на меди). К сожалению, низкотемпературная сверхпроводимость сильно ограничивает максимально возможную величину магнитного поля, что заставляет делать сверхпроводящие магниты очень большими, а это ведёт к увеличению размеров термоядерных реакторов со всеми негативными последствиями для экономики процессов.

Выходом может стать высокотемпературная сверхпроводимость, что позволит кратно поднять напряжённость магнитных полей и уменьшить размеры самих магнитов. Чем меньше магниты, тем компактнее активная рабочая зона термоядерного реактора. Такие реакторы удобно обслуживать и экономно эксплуатировать. Именно в этом направлении работала группа учёных из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) вместе с коллегами из Advanced Conductor Technologies, Университета Колорадо в Боулдере и Национальной лаборатории высоких магнитных полей в Таллахасси, штат Флорида.

Исследователи разработали технологию производства компактных сверхпроводящих магнитов с двумя серьёзными усовершенствованиями. Во-первых, они подобрали материалы для создания высокотемпературной проводимости. Во-вторых, разработана технология создания катушек заданной формы без использования изоляционных материалов. Сверхпроводимый провод без изоляции просто укладывается в проделанные для него бороздки в основе катушки и это многократно облегчает процесс изготовления магнитов.

«Стоимость намотки катушек намного ниже, потому что нам не нужно проходить через дорогостоящий и чреватый ошибками процесс вакуумной пропитки эпоксидной смолой, — сказал ведущий исследователь. — Вместо этого вы непосредственно наматываете проводник на форму из катушки».

Особенно важной данная разработка представляется для разработки так называемых сферических токамаков, которые внешне похожи на яблоко, а не на бублик классического токамака. Для сферических токамаков размер имеет первостепенное значение. Такие реакторы могут быть довольно компактными, но магнитные поля у них очень и очень сложной формы, что предъявляет жёсткие требования к магнитам. Компактные магниты могут решить такие проблемы и, хочется надеяться, рано или поздно это произойдёт.

Корпорация Toshiba ESS применила весь свой опыт в сфере ядерных и тепловых технологий и разработала прототип лёгкого и мощного сверхпроводящего электродвигателя для применения в транспорте. Новый электродвигатель весит в десять раз меньше двигателей на ископаемом топливе сопоставимой мощности. Подобное сочетание характеристик оценят в авиации и в новой сфере аэротакси с вертикальными взлётом и посадкой.

Источник изображения: Toshiba ESS

Прототип сверхпроводящего электродвигателя Toshiba размерами 50 × 70 см (без учёта вала) имеет мощность 2 МВт. Коммерческое производство подобных двигателей компания намерена начать в конце текущего десятилетия. Сверхпроводящий двигатель был разработан группой инженеров и экспертов в подразделении Keihin Operations компании Toshiba ESS, которое имеет опыт разработки и производства генераторов и сверхпроводящих продуктов для атомной и тепловой энергетики.

Электрическая двигательная установка с помощью эффекта сверхпроводимости (вероятно, речь идёт о высокотемпературной сверхпроводимости) позволит сэкономить заряд батарей в полёте благодаря более высокому КПД и снижению потерь на сопротивление току. По оценкам специалистов, сверхпроводящие электродвигатели в авиации могут экономить до 30 % топлива по сравнению с традиционными техническими решениями.

Интересно отметить, что в России также разрабатывается перспективная гибридная сверхпроводящая силовая установка мощностью 2 МВт, но пока на самолёте-лаборатории Як-40 на аэродроме новосибирского ФГУП «СибНИА им. С. А. Чаплыгина» обкатывается сверхпроводящий электродвигатель мощностью 500 кВт.