Naukowcy odkryli nowy nadprzewodnik w temperaturze pokojowej

W tym tygodniu naukowcy ogłosili ekscytujący postęp w realizacji marzenia o materiale, który z łatwością przewodzi elektryczność w codziennych warunkach. Taki przełom może zmienić niemal każdą technologię wykorzystującą energię elektryczną, otwierając nowe możliwości dla Twojego telefonu, pociągów magnetycznych i przyszłych stacji syntezy jądrowej.

Zwykle przepływ energii elektrycznej napotyka opór podczas przemieszczania się przez przewody, prawie jak forma tarcia, a część energii jest tracona w postaci ciepła. Sto lat temu fizycy odkryli materiały, zwane obecnie nadprzewodnikami, w których opór elektryczny pozornie magicznie zniknął. Jednak materiały te traciły swoją odporność dopiero w bardzo niskich temperaturach, co ograniczało praktyczne zastosowania. Przez dziesięciolecia naukowcy poszukiwali nadprzewodników działających w temperaturze pokojowej.

Ogłoszenie z tego tygodnia jest ostatnią próbą tych wysiłków, ale pochodzi od zespołu, który stoi w obliczu powszechnego sceptycyzmu, ponieważ artykuł z 2020 roku opisujący materiał nadprzewodzący jako obiecujący, ale mniej praktyczny, był. wycofać się Po tym, jak inni naukowcy zakwestionowali niektóre dane.

Nowy nadprzewodnik jest wykonany z lutetu, metalu ziem rzadkich i wodoru z niewielką domieszką azotu. Potrzebuje ciśnienia 14 500 psi, zanim uzyska zdolność nadprzewodnictwa. To około 10 razy więcej niż ciśnienie wywierane na dnie najgłębszych rowów oceanicznych.

Ale to także mniej niż jedna setna tego, czego wymagał wynik z 2020 roku, co było podobne do sił pękania znalezionych kilka tysięcy mil głęboko w Ziemi. Wskazuje to, że dalsze badania materiału mogą doprowadzić do nadprzewodnika, który działa w temperaturze otoczenia i przy typowym ciśnieniu atmosferycznym 14,7 psi.

„To początek nowego rodzaju materiału, który jest użyteczny w zastosowaniach praktycznych” – powiedział Ranga P. Dias, profesor inżynierii mechanicznej i fizyki na Uniwersytecie w Rochester w Nowym Jorku, we wtorek w sali pełnej naukowców. Na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w Las Vegas.

To było pełne rozliczenie wyników jego zespołu Opublikowano w środę w Natureczyli to samo czasopismo, które opublikowało, a następnie wycofało wyniki z 2020 roku.

Zespół w Rochester zaczął od maleńkich, cienkich płatków lutetu, srebrzystobiałego metalu, który należy do najrzadszych pierwiastków ziem rzadkich, i skompresował je między dwoma zazębiającymi się diamentami. Następnie do małej komory wpompowano gaz składający się z 99 procent wodoru i 1 procent azotu i wyciśnięto go pod wysokim ciśnieniem. Próbkę ogrzewano przez noc w temperaturze 150 stopni Fahrenheita i po 24 godzinach ciśnienie zostało zmniejszone.

W około jednej trzeciej przypadków proces dawał pożądany rezultat: maleńki, żywy niebieski kryształ. „Nie jest łatwo wprowadzić azot do wodorku lutetu” – powiedział dr Dias.

W laboratorium University of Rochester używanym przez grupę dr Diasa, doktorantka Hiranya Basan zademonstrowała zaskakującą zmienną właściwość materiałów podczas wizyty reportera w zeszłym tygodniu. Gdy śruby zostały dokręcone w celu zwiększenia ciśnienia, niebieski zmienił kolor na czerwony.

„Jest bardzo różowy” — powiedział dr Dias. Powiedział, że przy wyższym ciśnieniu „staje się jaskrawoczerwony”.

Światło lasera przez kryształy ujawniło, w jaki sposób wibrują i odblokowało informacje o strukturze.

W innym pokoju inni członkowie zespołu dr Dias dokonywali pomiarów magnetycznych innych kryształów. Gdy temperatura spadła, przewidywane gnomy pojawiły się w danych wykreślonych na ekranie komputera, wskazując na przejście do nadprzewodnika.

„To bezpośredni pomiar, który teraz wykonujemy” – powiedział dr Dias.

W artykule naukowcy donoszą, że różowe kryształy wykazywały kluczowe właściwości nadprzewodników, takie jak zerowa rezystancja, w temperaturach do 70 stopni Fahrenheita.

„Jestem ostrożnym optymistą” – powiedział Timothy Strobel, naukowiec z Carnegie Institution for Science w Waszyngtonie, który nie był zaangażowany w badania dr Diasa. „Dane w gazecie wyglądają świetnie”.

„Jeśli to prawda, jest to naprawdę, naprawdę ważny przełom” – powiedział Paul CW Chu, profesor fizyki na Uniwersytecie w Houston, który również nie był zaangażowany w badania.

Jednak część „jeśli” tego sentymentu obraca się wokół dr Diasa, który jest prześladowany przez sceptycyzm, krytykę, a nawet oskarżenia ze strony niektórych naukowców, że sfabrykował niektóre z jego danych. Odkrycia z artykułu Nature 2020 nie zostały powtórzone przez inne grupy badawcze, a krytycy twierdzą, że dr Dias nie spieszył się z umożliwieniem innym zbadania jego danych lub przeprowadzenia niezależnych analiz jego nadprzewodników.

Redaktorzy Nature wycofali poprzedni artykuł z zeszłego roku z powodu sprzeciwu dr Diasa i innych autorów.

„Straciłem trochę wiary w to, co pochodzi od tej grupy” – powiedział James Hamlin, profesor fizyki z University of Florida.

Jednak nowy artykuł przeszedł proces recenzji w tym samym czasopiśmie.

Rzeczniczka Nature powiedziała: „Wycofanie artykułu naukowego nie dyskwalifikuje automatycznie autora z przedłożenia nowych manuskryptów”. „Wszystkie przesłane manuskrypty są rozpatrywane niezależnie na podstawie jakości i aktualności ich wiedzy”.

Na wtorkowej konferencji w Las Vegas tak wielu fizyków stłoczyło się w ciasnej sali konferencyjnej, że moderator poprosił niektórych o opuszczenie, aby nie musieli odwoływać prezentacji. Kiedy pomieszczenie zostało przerzedzone, dr Dias mógł bez przeszkód prezentować swoje odkrycia. Kiedy dziękował tłumowi, moderator ubolewał, że zabrakło czasu na zadawanie pytań.

Dr Strobel potwierdził trwające kontrowersje wokół dr Diasa i wcześniejsze niezwykłe twierdzenia, które nie zostały jeszcze odtworzone.

„Nie chcę zbyt wiele z tego czytać, ale może tu istnieć pewien wzorzec zachowania” – powiedział dr Strobel. „Naprawdę mógłby być najlepszym fizykiem hiperbarycznym na świecie, zaraz zdobędzie Nagrodę Nobla. Albo dzieje się coś innego.”

pod presją

Nadprzewodnictwo zostało odkryte przez holenderskiego fizyka Heike Kamerlingha Onnesa i jego zespół w 1911 roku. Nadprzewodniki nie tylko przenoszą elektryczność przy zerowym oporze elektrycznym, ale także posiadają dziwną zdolność znaną jako efekt Meissnera, która zapewnia brak pola magnetycznego wewnątrz materiału. .

Pierwsze znane nadprzewodniki wymagały temperatur o kilka stopni powyżej zera absolutnego, czyli minus 459,67 stopni Fahrenheita. W latach 80. fizycy odkryli tzw. nadprzewodniki wysokotemperaturowe, ale nawet te nadprzewodniki stają się w warunkach znacznie chłodniejszych niż te, z którymi spotykamy się na co dzień.

Standardowa teoria wyjaśniająca nadprzewodnictwo przewiduje, że wodór powinien być nadprzewodnikiem w wyższych temperaturach, jeśli można go wystarczająco mocno skompresować. Ale nawet najbardziej odporny diament pęka, zanim osiągnie naprężenia o takiej wielkości. Naukowcy zaczęli przyglądać się wodorowi zmieszanemu z innym pierwiastkiem, myśląc, że wiązania chemiczne mogą pomóc w kompresji atomów wodoru.

W 2015 roku Michaił Eremets, fizyk z Instytutu Chemii im. Maxa Plancka w Moguncji w Niemczech, poinformował, że siarkowodór – cząsteczka składająca się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu siarki – przekształcił się w nadprzewodnik w temperaturze 94 stopni Fahrenheita pod ciśnieniem po ściśnięciu do około 22 mln. funtów na cal kwadratowy. Była to wówczas rekordowa temperatura dla nadprzewodnika.

Dr Eremets i inni naukowcy odkryli później, że wodorek lantanu – związek zawierający wodór i lantan – osiągnął temperaturę nadprzewodnictwa poniżej 10 stopni Fahrenheita pod bardzo wysokim ciśnieniem.

W badaniach opisanych w wycofanym artykule z 2020 r. grupa dr Dias wykorzystała wodór, siarkę i węgiel. Naukowcy powiedzieli, że dzięki trzem elementom byli w stanie dostosować właściwości elektroniczne związku, aby osiągnąć nadprzewodnictwo w wysokiej temperaturze.

Jednak nie wszyscy w to uwierzyli.

Głównym przeciwnikiem dr Diasa jest Jorge Hirsch, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. Skupił się na pomiarach wykonanych przez zespół dr Dias reakcji związku węgla, siarki i wodoru na zmienne pola magnetyczne, co jest dowodem na istnienie efektu Meissnera. Wykres w artykule wyglądał na bardzo czysty, a naukowcy nie wyjaśnili, w jaki sposób wykluczyli wpływy tła na wykresie.

Kiedy dr Dias opublikował surowe dane, powiedział dr Hirsch, jego analiza wykazała, że ​​zostały one wygenerowane za pomocą wzoru matematycznego i nie mogły być faktycznie zmierzone w eksperymencie. „Dzięki analogii nie uzyskuje się formuł analitycznych” — powiedział dr Hirsch. „Dostajesz liczby z szumem”.

Jego narzekania na dr Dias stały się tak uporczywe i intensywne, że inni w tej dziedzinie rozpowszechniali list narzekający na dziesięciolecia destrukcyjnego zachowania dr Hirscha.

Dr Hirsch jest sprzedawcą porcelany, który zajmuje się teorią BCS, opracowaną w 1957 roku przez trzech fizyków — Johna Bardeena, Leona N. Coopera i J. Roberta Shrivera — w celu wyjaśnienia, jak działa nadprzewodnictwo. Mówi, że pod wieloma względami BCS jest „kłamstwem”, niezdolnym do wyjaśnienia efektu Meissnera. Wymyślił własne alternatywne wyjaśnienie.

Warto zauważyć, że dr Hirsch powiedział, że w żadnym z tych wysokociśnieniowych materiałów nie może być nadprzewodnictwa, ponieważ wodór nie może być nadprzewodnikiem. Ma kilku sojuszników.

Chociaż dr Hirsch ostrożnie mówi, że naukowcy inni niż dr Dias nie popełniają wykroczeń, mówi, że oszukują samych siebie.

„Moim zdaniem skrawki stają się wnioskami” – powiedział.

odporność i rozmnażanie

Dr Hamlin z University of Florida również zagłębił się w pomiary magnetyczne i powiedział, że wyglądało to tak, jakby surowe dane pochodziły z opublikowanych danych, a nie odwrotnie.

Dr Hamlin był również zaniepokojony odkryciem, że kilka fragmentów jego rozprawy doktorskiej, którą napisał w 2007 roku, pojawiło się słowo w słowo w rozprawie doktorskiej Diasa.

D odmawia. Dias kontynuował krytykę i twierdzi, że jego grupa dostarczyła wyjaśnień. „To po prostu wydawało się hałasem w tle” – powiedział. „Staramy się posuwać naszą naukę do przodu”.

Powiedział, że nadal podtrzymuje poprzednie ustalenia i że środowy artykuł wykorzystał nową technikę pomiarów magnetycznych. Powiedział, że artykuł przeszedł pięć rund kontroli przez recenzentów i że wszystkie surowe dane stojące za ustaleniami zostały udostępnione.

„Znowu wróciło do natury” — powiedział dr Dias. – Więc to ci coś mówi.

Po dwóch dochodzeniach uniwersyteckich Sarah Miller, rzeczniczka University of Rochester, powiedziała: „Ustalono, że nie ma dowodów na poparcie tych obaw”. Stwierdzono również, że uniwersytet „rozważał kwestię wycofania artykułu Nature we wrześniu 2022 r. i doszedł do tego samego wniosku”.

Jeśli chodzi o transkrypcję rozprawy doktorskiej dr Hamlina, dr Dias powiedział, że powinien był dołączyć cytaty. „To była moja wina” — powiedział dr Dias.

Ponownie wykonaj pomiary węgla, siarki i wodoru przed drukiem wycofanego artykułu z 2020 r. jest teraz w obiegu, ale nawet to rodzi pytania. „Różnią się znacznie od oryginalnych pomiarów” – powiedział dr Strobel. „Można argumentować, że sami nie odtworzyli wyników”.

Ponieważ nowy materiał na bazie lutetu jest nadprzewodnikiem przy znacznie niższych ciśnieniach, wiele innych grup badawczych będzie mogło spróbować odtworzyć eksperyment. Dr Dias powiedział, że chce podać dokładniejszy przepis na wytwarzanie związku i udostępnianie próbek, ale najpierw należy rozwiązać kwestie własności intelektualnej. Założył firmę Unearthly Materials, która planuje przekształcić badania w zyski.

Dr Strobel powiedział, że zacznie pracować, jak tylko wróci z konferencji w Las Vegas. „Możemy uzyskać wynik dosłownie w ciągu jednego dnia” – powiedział.

Dr Hirsch powiedział również, że oczekuje, że odpowiedzi nadejdą szybko. „Jeśli to prawda”, powiedział, „dowodzi to, że moja praca z ostatnich 35 lat była błędna”. – Z czego byłbym bardzo zadowolony, bo wiedziałbym.

Dr Hirsch dodał: „Ale myślę, że mam rację i to jest złe”.

Kimberly McGee Nadesłane raporty z Las Vegas.