Откуда взялся чудо-сверхпроводник при комнатной температуре
Впервые о новом материале, названном LK-99, стало известно 22 июля, когда на сервис arxiv.org выложили препринт научной статьи с его описанием. Коллектив авторов возглавлял Ли Сукбэ, ранее практически никому не известный физик из корейского Центра исследований квантовой энергии (QSERF). Ученые утверждали, что полученный ими LK-99 ведет себя как сверхпроводник при комнатной температуре и нормальном давлении, то есть способен пропускать через себя ток без сопротивления, потерь и нагрева. В случае подтверждения это открытие сулило бы настоящий переворот во всех отраслях, связанных с электроникой, и даже Нобелевская премия по физике или химии была бы для авторов недостаточной наградой. Все используемые в наши дни сверхпроводники требуют либо охлаждения жидким азотом или гелием, либо давления в миллионы атмосфер. Для выполнения любого из этих условий требуется дорогое и сложное оборудование, и потому сверхпроводники используются лишь в редких образцах техники вроде аппаратов МРТ.
Особенно важно, что LK-99 — дешевый материал, который можно синтезировать из распространенного сырья в рядовой химической лаборатории. Для этого требуется оксид свинца, сульфат свинца, медь и фосфор, а на выходе должно получиться соединение оксида и фосфата свинца с формулой Pb10-xCux(PO4)6O. Описанный корейцами синтез легко проводить в промышленных масштабах, так что LK-99 и впрямь имел все шансы заменить медь во многих бытовых приборах. Это позволило бы, например, избавиться от потерь в электросетях, создать гораздо более мощные компактные электродвигатели, многократно удешевить аппараты МРТ и сделать обыденностью летающие поезда на магнитной подушке — маглевы.
Несмотря на десятки и сотни миллионов просмотров у новостей о LK-99, коллеги-физики восприняли открытие с чрезвычайным скепсисом. Новый сверхпроводник был совсем не похож на ранее известные аналогичные материалы, вел себя странно даже в поставленных авторами экспериментах, а уравнения реакции содержали грубые ошибки. Наконец, это исследование не было опубликовано в рецензируемом журнале, а лишь выложено в бесплатный сервис. В Физическом институте имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) решили проверить, действительно ли LK-99 способен проводить ток без потерь.
Как проводили проверку LK-99
Проблема возникла еще до начала эксперимента. По оценке специалистов Центра высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов им. В.Л. Гинзбурга ФИАН, если взять описанное корейцами сырье и повторить их процедуру синтеза, получится материал с другой формулой, отличной от указанной в статье. Поэтому проверку проводили двумя путями.
В одной серии опытов в точности воспроизвели описанный корейцами рецепт, в другой — получили вещество с указанной конечной формулой, но правильным методом. Для этого пришлось изменить сырье и ход реакции. В результате ученые получили два похожих между собой образца — темные поликристаллы антрацитового цвета. При этом полученный по корейскому рецепту материал состоял из двух фракций — вместе с поликристаллом образовывалась зеленая стеклообразная масса, которую авторы изобретения никак не упоминали. Поскольку на фотографиях корейского образца ничего похожего не видно, российские специалисты попросту очистили от нее материал.
Для измерения сопротивления материала на образцах закрепили четыре контакта: через два крайних пускали ток, а между двумя центральными измеряли напряжение. Если бы материал был сверхпроводником, то напряжение между двумя точками было бы равно нулю. Две версии LK-99 поместили в криостат («морозильник») со встроенным магнитом — мощное магнитное поле подавляет сверхпроводимость, в результате чего она возникает лишь при более низкой температуре. Наблюдение этого феномена считается дополнительным доказательством при открытии сверхпроводников.
«Эксперимент показал, что корейский «сверхпроводник» в действительности — изолятор. Вы даете туда ток, — и ничего не происходит. Причем мы начали опыты при комнатной температуре (23 °C), в то время как, по версии авторов разработки, сверхпроводимость фиксируется при температуре от 125 °C и ниже. Если же образцы охлаждать до отрицательных температур — сопротивление (и так условно бесконечное) лишь растет. По электрическим свойствам LK-99 похож на фарфор, из которого делают промышленные изоляторы»,
— рассказал «Газете.Ru» Кирилл Перваков, один из ученых Центра.
При этом образцы материала, полученные двумя путями, ведут себя практически одинаково. Они не реагируют на магнит, в то время как сверхпроводники всегда должны от него отталкиваться и вести себя как идеальный диамагнетик.
Левитация диамагнетика (пиролитического углерода) над неодимовым магнитом. Wikimedia Commons
Физики провели рентгеноструктурный анализ LK-99, который позволяет выяснить, как именно расположены атомы в кристалле и с каким материалом они имеют дело. К удивлению специалистов, результаты исследования обоих образцов практически совпали с теми данными, которые приводят корейские авторы. Иными словами, Ли Сукбэ и его коллеги и впрямь провели похожий синтез, в то время как некоторые ученые подозревали их в откровенной фальсификации.
Могут ли российские физики ошибаться
У ученых есть серьезные претензии к качеству статьи корейских авторов. Их описание скудное и неполное (что в научном мире всегда вина авторов), и потому в ФИАН не готовы ручаться, что воспроизвели эксперимент в точности. Китайские исследователи из Хуачжунского университета науки и технологий также попытались воспроизвести LK-99 по методу, описанному в оригинальной статье. Они не измеряли сопротивление полученного образца, а лишь проверяли, является ли он диамагнетиком. Оказалось, что одно из зернышек полученного образца, более чистое и лучше легированное медью, проявляет диамагнитные свойства при температуре более 100 °C и почти способно левитировать в магнитном поле (приподнимается над столом и встает на ребро). Однако к магнитной левитации способен и пиролитический графит, который не является сверхпроводником, а в очень сильных полях левитируют даже живые лягушки.
В Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) создали Центр коллективного пользования (ЦКП) «Прометеус». Здесь ученые смогут проводить новые фундаментальные и прикладные исследования в разных направлениях: от космической биологии и радиационной безопасности, до диагностики и лучевой терапии онкологических заболеваний.
В «Прометеусе» уже полностью проведены работы по пяти заявкам исследователей. Одними из первых его пользователей стали ученые из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук (ИЯФ СО РАН). С помощью техники центра они ищут способы эффективного проведения бор-протонозахватной терапии — это перспективная методика лечения злокачественных опухолей.
