Ученые открыли новый сверхпроводник при комнатной температуре

На этой неделе ученые объявили о захватывающем продвижении к мечте о материале, который может легко проводить электричество в повседневных условиях. Подобный прорыв может трансформировать почти любую технологию, использующую электроэнергию, открывая новые возможности для вашего телефона, магнитных поездов и будущих термоядерных станций.

Обычно поток электричества сталкивается с сопротивлением, когда движется по проводам, почти как форма трения, и часть энергии теряется в виде тепла. Столетие назад физики открыли материалы, теперь называемые сверхпроводниками, в которых электрическое сопротивление, казалось бы, исчезло по волшебству. Но эти материалы теряли свою стойкость только при очень низких температурах, что ограничивало их практическое применение. На протяжении десятилетий ученые искали сверхпроводники, работающие при комнатных температурах.

Объявление на этой неделе — последняя попытка в этом направлении, но оно исходит от команды, столкнувшейся с широко распространенным скептицизмом, поскольку документ 2020 года, описывающий многообещающий, но менее практичный сверхпроводящий материал, был таковым. отступать После того, как другие ученые подвергли сомнению некоторые данные.

Новый сверхпроводник состоит из лютеция, редкоземельного металла, и водорода с добавлением небольшого количества азота. Ему нужно давление 14 500 фунтов на квадратный дюйм, прежде чем он обретет сверхпроводящее мастерство. Это примерно в 10 раз превышает давление, оказываемое на дно самых глубоких океанских желобов.

Но это также меньше одной сотой того, что требуется для результата 2020 года, что было сродни силам разрушения, существующим в глубине Земли на несколько тысяч миль. Это указывает на то, что дальнейшие исследования материала могут привести к сверхпроводнику, который работает при комнатной температуре и типичном атмосферном давлении 14,7 фунтов на квадратный дюйм.

«Это начало нового типа материала, полезного для практических применений», — заявил во вторник Ранга П. Диас, профессор машиностроения и физики в Университете Рочестера в Нью-Йорке, в зале, полном ученых. На собрании Американского физического общества в Лас-Вегасе.

Это был полный отчет о результатах его команды. Опубликовано в среду в Natureкоторый является тем же журналом, который опубликовал, а затем отозвал результаты за 2020 год.

Команда из Рочестера начала с крошечных тонких чешуек лютеция, серебристо-белого металла, который является одним из самых редких редкоземельных элементов, и сжала их между двумя сцепленными алмазами. Затем в маленькую камеру закачивали газ, состоящий из 99% водорода и 1% азота, и выдавливали под высоким давлением. Образец нагревали в течение ночи при температуре 150 градусов по Фаренгейту, а через 24 часа давление сбрасывали.

Примерно в трети случаев процесс давал желаемый результат: крошечный ярко-синий кристалл. «Поглотить азот из гидрида лютеция не так-то просто», — сказал доктор Диас.

В лаборатории Университета Рочестера, которую использовала группа доктора Диаса, аспирант Хиранья Басан продемонстрировал удивительные изменчивые свойства материалов во время визита репортера на прошлой неделе. Когда винты были затянуты, чтобы увеличить давление, синий цвет покраснел.

«Он очень розовый», — сказал доктор Диас. По его словам, при более высоком давлении «он становится ярко-красным».

Освещение лазером кристаллов показало, как они вибрируют, и открыло информацию о структуре.

В другой комнате другие члены команды доктора Диаса проводили магнитные измерения на других кристаллах. По мере того как температура падала, в данных, отображаемых на экране компьютера, появлялись проекции гномов, указывая на переход к сверхпроводнику.

«Это прямое измерение, которое мы проводим сейчас», — сказал доктор Диас.

В статье исследователи сообщают, что розовые кристаллы проявляют ключевые свойства сверхпроводников, такие как нулевое сопротивление, при температурах до 70 градусов по Фаренгейту.

«Я настроен с осторожным оптимизмом», — сказал Тимоти Стробел, ученый из Института науки Карнеги в Вашингтоне, не участвовавший в исследовании доктора Диаса. «Данные в газете выглядят великолепно».

«Если это правда, то это очень, очень важный прорыв», — сказал Пол Ч. У. Чу, профессор физики Хьюстонского университета, который также не участвовал в исследовании.

Однако часть «если» этого настроения вращается вокруг доктора Диаса, которого преследуют скептицизм, критика и даже обвинения некоторых ученых в том, что он сфабриковал некоторые из своих данных. Выводы, сделанные в статье Nature 2020 года, не были воспроизведены другими исследовательскими группами, и критики говорят, что доктор Диас не торопился с тем, чтобы позволить другим изучить его данные или провести независимый анализ его сверхпроводников.

В прошлом году редакторы Nature отозвали предыдущую статью из-за возражений доктора Диаса и других авторов.

«Я немного потерял веру в то, что исходит от этой группы», — сказал Джеймс Хэмлин, профессор физики из Университета Флориды.

Тем не менее, новая статья прошла рецензирование в том же журнале.

Представитель Nature заявила: «Отзыв исследовательской работы автоматически не лишает автора права представлять новые рукописи». «Все представленные рукописи рассматриваются независимо на основании качества и своевременности их знания».

На конференции во вторник в Лас-Вегасе в тесном конференц-зале собралось так много физиков, что модератор попросил некоторых уйти, чтобы им не пришлось отменять презентацию. После того, как в комнате стало меньше, доктор Диас смог представить свои выводы без перерыва. Поблагодарив собравшихся, модератор посетовал, что у них не хватило времени задавать вопросы.

Доктор Стробель признал продолжающиеся споры вокруг доктора Диаса и предыдущие необычные утверждения, которые еще предстоит воспроизвести.

«Я не хочу вдаваться в подробности, но здесь может быть модель поведения», — сказал доктор Стробел. «Он действительно может быть лучшим гипербарическим физиком в мире, который вот-вот получит Нобелевскую премию. Или происходит что-то еще».

под давлением

Сверхпроводимость была открыта голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом и его командой в 1911 году. Мало того, что сверхпроводники переносят электричество с нулевым электрическим сопротивлением, они также обладают странной способностью, известной как эффект Мейснера, которая гарантирует отсутствие магнитного поля внутри материала. .

Первые известные сверхпроводники требовали температуры несколько выше абсолютного нуля, или минус 459,67 градусов по Фаренгейту. В 1980-х годах физики открыли так называемые высокотемпературные сверхпроводники, но даже эти сверхпроводники становятся в условиях гораздо более холодных, чем те, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни.

Стандартная теория, объясняющая сверхпроводимость, предсказывает, что водород должен быть сверхпроводящим при более высоких температурах, если его можно достаточно сильно сжать. Но даже самый прочный алмаз разрушается, не успев достичь такого напряжения. Ученые начали рассматривать водород, смешанный с другим элементом, думая, что химические связи могут помочь сжать атомы водорода.

В 2015 году Михаил Еремец, физик из Института химии Макса Планка в Майнце, Германия, сообщил, что сероводород — молекула, состоящая из двух атомов водорода и одного атома серы — превращается в сверхпроводник при температуре 94 градуса по Фаренгейту под давлением при сжатии до около 22 Мн. фунтов на квадратный дюйм. Это была рекордно высокая температура для сверхпроводника того времени.

Позже доктор Еремец и другие ученые обнаружили, что гидрид лантана — соединение, содержащее водород и лантан, — достигает температуры сверхпроводимости менее 10 градусов по Фаренгейту при очень высоком давлении.

В исследовании, описанном в отозванной статье 2020 года, группа доктора Диаса использовала водород, серу и углерод. Ученые заявили, что с помощью трех элементов им удалось настроить электронные свойства соединения для достижения высокотемпературной сверхпроводимости.

Однако не все в это поверили.

Главный оппонент доктора Диаса — Хорхе Хирш, физик-теоретик из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Он сосредоточился на измерениях, сделанных группой доктора Диаса реакции соединения углерода, серы и водорода на флуктуирующие магнитные поля, что свидетельствует об эффекте Мейснера. Сюжет в статье выглядел очень чистым, и ученые не объяснили, как они исключили фоновые влияния в сюжете.

По словам доктора Хирша, когда доктор Диас обнародовал основные исходные данные, его анализ показал, что они были получены с помощью математической формулы и не могут быть фактически измерены в эксперименте. «По аналогии вы не получите аналитических формул», — сказал доктор Хирш. «Вы получаете числа с шумом».

Его жалобы на доктора Диаса стали настолько настойчивыми и интенсивными, что другие специалисты в этой области распространили письмо с жалобами на деструктивное поведение доктора Хирша в течение десятилетий.

Доктор Хирш — шоумен из посудной лавки, который нацеливается на теорию БКШ, которая была разработана в 1957 году тремя физиками — Джоном Бардином, Леоном Н. Купером и Дж. Робертом Шрефером — для объяснения того, как работает сверхпроводимость. Он говорит, что во многих отношениях БКШ — это «ложь», неспособная объяснить эффект Мейснера. Он придумал свою альтернативную интерпретацию.

Примечательно, что доктор Хирш говорил, что ни в одном из этих материалов высокого давления не может быть сверхпроводимости, потому что водород не может быть сверхпроводником. Он приобрел несколько союзников.

Хотя доктор Хирш осторожно заявляет, что другие ученые, кроме доктора Диаса, не совершают проступков, он говорит, что они обманывают самих себя.

«На мой взгляд, обрывки становятся выводами», — сказал он.

резистентность и размножение

Доктор Хэмлин из Университета Флориды также изучил магнитные измерения и сказал, что похоже, что исходные данные были получены из опубликованных данных, а не наоборот.

Доктор Хэмлин также был встревожен, обнаружив, что несколько отрывков из его докторской диссертации, которую он написал в 2007 году, дословно появились в диссертации доктора Диаса.

Д отказывается. Диас продолжил критику и говорит, что его группа предоставила объяснения. «Это было похоже на фоновый шум», — сказал он. «Мы пытаемся продолжать продвигать нашу науку вперед».

Он сказал, что по-прежнему придерживается предыдущих выводов и что газета, опубликованная в среду, использовала новую технику для магнитных измерений. Он сказал, что статья прошла пять раундов проверки рецензентами и что все исходные данные, лежащие в основе выводов, были опубликованы.

«Это снова в природе», — сказал доктор Диас. — Значит, это тебе кое-что говорит.

После двух университетских расследований Сара Миллер, пресс-секретарь Университета Рочестера, заявила: «Было установлено, что нет никаких доказательств, подтверждающих эти опасения». В нем также говорится, что университет «рассмотрел вопрос об отзыве статьи в Nature в сентябре 2022 года и пришел к такому же выводу».

Что касается стенограммы докторской диссертации доктора Хэмлина, доктор Диас сказал, что он должен был включить цитаты. «Это была моя вина, — сказал доктор Диас.

Повторно провести допечатные измерения содержания углерода, серы и водорода. отозванного документа 2020 года сейчас циркулирует, но даже это вызывает вопросы. «Они сильно отличаются от первоначальных измерений», — сказал доктор Стробель. «Можно утверждать, что они сами не воспроизвели результаты».

Поскольку новый материал на основе лютеция является сверхпроводящим при гораздо более низких давлениях, многие другие исследовательские группы смогут попытаться воспроизвести эксперимент. Доктор Диас сказал, что хочет предоставить более точный рецепт того, как сделать соединение и поделиться образцами, но сначала необходимо решить вопросы интеллектуальной собственности. Он основал компанию Unearthly Materials, которая планирует превратить исследования в прибыль.

Доктор Стробел сказал, что приступит к работе, как только вернется с конференции в Лас-Вегасе. «Мы можем получить результат буквально в течение суток», — сказал он.

Доктор Хирш также сказал, что ожидает быстрого ответа. «Если это правда, — сказал он, — то это доказывает, что моя работа за последние 35 лет ошибочна». — Чему я был бы очень рад, потому что знал бы.

Доктор Хирш добавил: «Но я думаю, что я прав, а это неправильно».

Кимберли МакГи Сообщил репортаж из Лас-Вегаса.