Сверхпроводниковый Грааль
Летом 2023 научное сообщество ошарашили корейские физики: они рассказали миру о результате своих экспериментов — сверхпроводнике LK-99, способном работать при комнатной температуре и нормальном давлении. Такой сверхпроводник — это сенсация, как минимум достойная Нобелевской премии! Но оказалось, что радость слегка преждевременна. Об «открытии» корейских коллег и о российских исследованиях в этой области мы поговорили с учеными из Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН).
LK-99 произвел фурор
Новость о корейском LK-99 распространилась по всему Интернету моментально и даже среди тех, кто далек от мира фундаментальной науки. Если ученым удалось создать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре и нормальном давлении, то это открытие могло бы стать основой для технологического скачка всего человечества. Тем более, LK-99 был синтезирован из оксида свинца, сульфата свинца, меди и фосфора — распространенных и недорогих материалов. Такой материал можно получать в обычной химической лаборатории, и его легко будет перевести на «промышленные рельсы».
Кирилл Перваков
Научный сотрудник Центра высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов им. В.Л. Гинзбурга ФИАН
— Это «святой Грааль» физики конденсированного состояния, — объясняет научный сотрудник Центра высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов им. В.Л. Гинзбурга ФИАН Кирилл Перваков. — Это решило бы множество научных и технических проблем — например, с потерями электроэнергии при передаче на большие расстояния, поскольку сверхпроводники обладают нулевым электрическим сопротивлением. Это открыло бы новую веху в квантовой электронике, так как сейчас мы уже приближаемся к физическому пределу электроники на основе полупроводников.
Зачем сверхпроводникам комнатная температура?
Все материалы обладают определенным электрическим сопротивлением. Они сопротивляются потоку электричества так же, как узкая труба сопротивляется потоку воды. Из-за сопротивления часть энергии теряется в виде тепла при прохождении электронов через электронику наших устройств — таких как компьютеры или сотовые телефоны. Для большинства материалов это сопротивление сохраняется даже при их охлаждении до очень низких температур. Исключением являются сверхпроводящие материалы.
Сверхпроводимость — это свойство проводить постоянный электрический ток без потери энергии при охлаждении ниже критической температуры (Tc). При переходе в сверхпроводящее состояние такие материалы также полностью выталкивают магнитное поле из своего объема — это называется эффектом Мейсснера. На этом свойстве основана левитация магнита над сверхпроводником и возможность создания высокоскоростных поездов на магнитной подвеске (МАГЛЕВ). Например, японский высокоскоростной поезд JR-Maglev или китайский экспресс в аэропорт Пудонг в городе Шанхай, который преодолевает расстояние в 30 км за 7 минут 20 секунд, разгоняясь до скорости 430 км/ч. Сверхпроводники уже используются в области МРТ, гироскопах для орбитальных спутников, сверхскоростных компьютерных чипах, микросхемах цифровой памяти большой емкости и других электронных устройствах. Единственная проблема в широком применении сверхпроводимости — необходимость охлаждения до криогенных температур, поэтому затраты на охлаждение могут быть существенными. После открытия материалов, обладающих сверхпроводящими свойствами при комнатной температуре и атмосферном давлении, сверхпроводники станут более выгодны с экономической точки зрения.
Нестыковки и противоречия
Над созданием «комнатнотемпературного» сверхпроводника работают группы ученых по всему миру — вдруг именно корейцам удалось совершить прорыв?
— За последние 30 лет было много работ, в которых авторы заявляли об открытии сверхпроводимости при комнатной температуре, но в итоге все эти результаты оказывались невоспроизводимыми. Сейчас научное сообщество относится к таким работам скептически, — признает Кирилл Перваков.
Сразу несколько мировых научных центров попытались повторить исследования корейцев. Подтвердить или опровергнуть сенсационный результат решили и ученые из ФИАН.
До начала практических экспериментов российские исследователи внимательно изучили опубликованные данные корейских коллег, выложенные на нерецензируемом сервисе arxiv.org, и нашли там сразу несколько противоречий и проблем — например, в части измерений зависимости сопротивления от температуры.
До начала практических экспериментов российские исследователи внимательно изучили опубликованные данные корейских коллег, выложенные на нерецензируемом сервисе arxiv.org, и нашли там сразу несколько противоречий и проблем — например, в части измерений зависимости сопротивления от температуры.
— Подозрительно выглядел резкий скачок сопротивления на интервале в доли К (температура в исследованиях измеряется в кельвинах — прим. ред), — рассказал Кирилл Перваков. — Так не бывает для сверхпроводников 2-го рода, тем более для неупорядоченных материалов сложного состава. Еще одна странность: поражает крайне малая величина критического магнитного поля — около 0,3T. Ей соответствует крайне малая величина магнитной энергии, что контрастирует с огромной характерной энергией декларируемого «сверхпроводящего» состояния, которая на 5 порядков больше. В сверхпроводниках эти энергии должны быть сопоставимы.
Кроме того, ученых смутило отсутствие измерений теплоемкости в районе температуры предполагаемого «скачка теплоемкости», что является важнейшим свидетельством фазового перехода и сверхпроводимости. А еще их озадачили противоречия в магнитных измерениях и левитации. Да, левитация образца материала над магнитом может говорить о его сверхпроводящих качествах. Но необязательно.
— Сильный диамагнетик будет левитировать над постоянным магнитом при любой температуре, если материал рыхлый (его плотность мала), а диамагнетизм силен, — поясняет Кирилл Перваков. — Напомним, что А. Гейм получил Шнобелевскую премию за демонстрацию левитации живой лягушки в магнитном поле; вряд ли кто-нибудь всерьез считает, что лягушка является сверхпроводящей. Таким образом, левитация — это демонстрация сильного диамагнетизма и малой плотности, и, возможно, она не связана не только со сверхпроводимостью, но и с диамагнетизмом.
Повторить за корейцами не удалось никому
После анализа опубликованных корейцами данных российские ученые сделали не самый оптимистичный вывод: противоречий в «сенсационном исследовании» слишком много. Каждой из нестыковок, возможно, нашлось бы свое объяснение, но в совокупности они свидетельствуют о предположительном отсутствии сверхпроводимости в LK-99.
Тем не менее было решено повторить эксперимент и воссоздать материал LK-99 по предложенной формуле.
Но при повторении экспериментов корейских авторов вопросов возникло еще больше. Выяснилось, что указанный в статье состав LK-99 Pb10-xCux(PO4)6O (0,9<х<1,1) не может быть синтезирован тем путем, который они предлагали в своей статье. Был обнаружен целый ряд нестыковок — например, нетипичная кристаллическая структура LK-99, не характерная для высокотемпературных сверхпроводников.
Но при повторении экспериментов корейских авторов вопросов возникло еще больше. Выяснилось, что указанный в статье состав LK-99 Pb10-xCux(PO4)6O (0,9<х<1,1) не может быть синтезирован тем путем, который они предлагали в своей статье. Был обнаружен целый ряд нестыковок — например, нетипичная кристаллическая структура LK-99, не характерная для высокотемпературных сверхпроводников.
Оптическая печь для бестигельного роста кристаллов. Фотография предоставлена отделом по связям с общественностью ФИАН
Ученые из Физического института имени Н.П. Лебедева решили синтезировать материал двумя путями: согласно указанной в статье методике без привязки к конечному составу получаемого вещества и непосредственно с использованием того состава, который указан в статье, но по другой методике. Были получены два образца — похожие между собой внешне темные поликристаллы антрацитового цвета. К сожалению, проведенные с ними эксперименты не увенчались успехом: оба образца не реагировали на магнит (а должны были отталкиваться от него) и вместо ожидаемого для сверхпроводника отсутствия сопротивления наоборот проявили свойства изолятора, где сопротивление условно бесконечно.
— Большой поток препринтов по тематике нового «сверхпроводника» ежедневно появляется на сайте arxiv.org, однако ни одной группе пока не удалось повторить корейский «успех», — разводит руками Кирилл Перваков.
«Комнатный» сверхпроводник появится, но когда?
Тема сверхпроводимости при комнатной температуре и нормальных условиях очень актуальна в последние годы: в литературе, в том числе в рейтинговых зарубежных научных изданиях неоднократно появлялись заявления о создании такого типа сверхпроводников.
— Мы видели исследования об осуществлении сверхпроводимости при комнатной температуре и при нормальных условиях: в «науглероженном гидриде серы», в графите с линейными цепочками дефектов — и много других, — перечисляет Кирилл Перваков. — Эти сообщения после проверки научным сообществом, в том числе и нами, оказались недостоверными, а соответствующие статьи были изъяты из журналов или не приняты к публикации.
Коллектив Центра высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов им. В.Л. Гинзбурга ФИАН, естественно, не только проверяет результаты других ученых, но и самостоятельно работает над созданием новых высокотемпературных сверхпроводящих материалов. Главная цель та же — создание сверхпроводников, работоспособных при комнатной температуре. Успехи у ученых серьезные, хотя пока и не такие «сенсационные» как LK-99. В кооперации с коллегами из других академических институтов и вузов учеными ФИАН были открыты и исследованы сверхпроводники на основе полигидридов редкоземельных металлов с критической температурой сверхпроводящего перехода около -20°С.
Перчаточный аргоновый бокс для работы с окисляющимися материалами. Фотография предоставлена отделом по связям с общественностью ФИАН
— Эти результаты являются на сегодняшний день рекордными среди всех достоверных результатов, воспроизведенных и проверенных в других лабораториях мира, — рассказывает Кирилл Перваков. — Недостатком данных материалов является необходимость приложения сверхвысокого давления для синтеза материала и осуществления сверхпроводимости.
Возможна ли сверхпроводимость при комнатных температурах и нормальном давлении в принципе или «сверхпроводниковый Грааль» так и останется недостижимым?
По мнению ученых, основным фундаментальным результатом их многолетней работы стала уверенность — сверхпроводимость при комнатной температуре возможна. Рано или поздно мировое научное сообщество найдет материалы, которые будут обладать сверхпроводящими свойствами при нормальных условиях, если продолжит проводить исследования.
Но когда конкретно это произойдет, вопрос для ученых пока открытый.
По мнению ученых, основным фундаментальным результатом их многолетней работы стала уверенность — сверхпроводимость при комнатной температуре возможна. Рано или поздно мировое научное сообщество найдет материалы, которые будут обладать сверхпроводящими свойствами при нормальных условиях, если продолжит проводить исследования.
Но когда конкретно это произойдет, вопрос для ученых пока открытый.
— Прогнозирование — неблагодарный жанр, особенно в фундаментальной науке, — считает Кирилл Перваков. — Процесс познания в науке нелинеен. Никогда не знаешь, за каким поворотом нас ожидает сенсационное открытие. Над сверхпроводимостью, в частности комнатнотемпературной, работают многие научные группы в мире, но ощутимые успехи, кроме нашей группы, есть у группы наших соотечественников в Германии под руководством Александра Дроздова и у группы в Китае.