Этим летом южнокорейская лаборатория объявила о прорыве, который изменит мир. Их заявления не выдержали проверки, но физики надеются на Святой Грааль электрической эффективности.
«Возможное реальное решение энергетического кризиса», которое «может изменить все». Именно так в недавних заголовках были описаны обыденные куски грязного на вид материала, известного как LK-99, о которых ученые из Южной Кореи сообщили в июле. Их результаты были описаны в двух статьях (https://arxiv.org/abs/2307.12008 и https://arxiv.org/abs/2307.12037), размещенных на сервере препринтов arXiv – веб-сайте, где исследователи представляют работы, которые еще не были опубликованы. подвергнут экспертной оценке. Они заявили, что «впервые в мире» создали сверхпроводник, который работает при комнатной температуре и повседневном давлении.
Сверхпроводник — это материал, который может проводить электрический ток без какого-либо сопротивления, а это означает, что энергия не теряется за счет тепла. О сверхпроводниках известно уже более 100 лет, но предыдущие работали только при экстремально низких температурах или при очень высоких давлениях. С другой стороны, LK-99, по словам южнокорейской команды, был сверхпроводящим, просто находясь на столе. Если бы они были правы, это открытие действительно заслуживало бы слова «революционное».
Но после нескольких недель лихорадочных спекуляций и безумных попыток по всему миру создать и протестировать новый материал, многие эксперты в обычно малопонятной области физики твердого тела теперь считают, что эти утверждения почти наверняка ошибочны. Повод для скептицизма был с самого начала: южнокорейские учёные Сукбэ Ли и Джи-Хун Ким из сеульской стартап-компании Quantum Energy Research Center не имели опыта работы в этой области, а LK-99 – названный в их честь и в тот год, когда они начали его изучать, – мало похоже на высокотемпературные сверхпроводники, виденные в прошлом.
В настоящее время возникает широкий консенсус в отношении того, что явные признаки сверхпроводимости, о которых сообщила корейская группа, – нулевое сопротивление и магнитное явление, называемое эффектом Мейсснера – могут иметь более приземленные объяснения. Но даже если ЛК-99 окажется в тупике, поиски чудо-материала, сверхпроводящего в повседневных условиях, продолжатся.
«Это произойдет, — говорит физик Хорхе Хирш из Калифорнийского университета в Сан-Диего, — хотя трудно сказать, когда». Но когда это произойдет, говорит он, это приведет к появлению «множества невероятных приложений, о которых мы еще даже не догадывались».
Святой Грааль сверхпроводников
Сверхпроводимость была открыта в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом, работавшим в Лейдене. Он использовал жидкий гелий (который кипит при -269°С [-452°F), что всего на четыре градуса выше абсолютного нуля, самую низкую возможную температуру) для охлаждения провода из твердой ртути, и обнаружил, что при этом крайнем холоде его электрическое сопротивление исчезает. Это означало, что электрический ток не терял энергии при движении; теоретически ток в петле из сверхпроводящего материала будет циркулировать вечно.
Электрические токи в металлах возникают из-за электронов – отрицательно заряженных фундаментальных частиц в атомах – которые могут свободно течь через упорядоченный массив атомов. Иногда подвижный электрон отскакивает от одного из колеблющихся атомов, теряя часть своей энергии в виде тепла – вот в чем причина электрического сопротивления. Чем дальше движется ток, тем больше электрической энергии он теряет. В результате около 5-10% электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях, теряется в виде тепла при ее передаче в дома и на предприятия по линиям электропередачи.
Почему все электрическое сопротивление внезапно исчезло в ртути и многих других металлах при критической температуре сверхпроводимости (известной как Tc), оставалось загадкой. Но в 1957 году трое учёных объяснили, что сверхпроводимость возникает, когда подвижные электроны объединяются в пары, благодаря тому, как движение одного влияет на движение другого. Эти «куперовские пары» обладают странной характеристикой: все они могут двигаться, как если бы они были одной гигантской частицей, слишком массивной, чтобы ее мог разрушить простой вибрирующий атом.
Для обычных металлов этот эффект может произойти только при очень низких температурах, поскольку электронные пары легко разрушаются под действием тепла. Но в 1980-е годы физику твердого тела потрясло открытие, что класс материалов, принадлежащих к семейству купратов – не металлов, а хрупких керамических веществ – может быть сверхпроводящим при более высоких температурах, чем обычно. Первый из них сделал это всего при -238°С (35 Кельвинов – абсолютный ноль равен -273°С, или 0 Кельвинов, при этом размер градуса одинаковый по шкалам Цельсия и Кельвина). Очень скоро были обнаружены такие высокотемпературные сверхпроводники с гораздо более высокими критическими температурами сверхпроводимости, примерно до 140 К. Это означало, что их можно было охлаждать с помощью жидкого азота (который кипит при 77 К), гораздо более распространенного, дешевого и удобного хладагента, чем жидкий гелий.
Это открытие было удостоено Нобелевской премии по физике в 1987 году и привело к бурным предположениям о линиях электропередачи без потерь и многом другом. Поскольку сверхпроводники могут проводить большие токи, которые могут поджечь обычные металлические провода, их можно использовать для создания очень мощных электромагнитов, генерирующих сильные магнитные поля. Такие устройства сейчас используются в сканерах МРТ и в некоторых прототипах термоядерных реакторов, где для удержания очень горячей плазмы необходимы огромные магнитные поля. Их также можно использовать для поездов на магнитной подвеске, которые поднимаются над рельсами с помощью магнита, чтобы уменьшить трение и достичь очень высоких скоростей.
Но все подобные применения по-прежнему сдерживаются необходимостью криогенного охлаждения. Это вряд ли практично, например, для силовых кабелей длиной во многие мили. Святым Граалем был сверхпроводник с Tc комнатной температуры или выше. Было ли это вообще возможно, учитывая, что эффект основан на поведении электронов, обычно проявляющемся только при низких температурах?
Ажиотаж вокруг купратных сверхпроводников утих. Однако в последние годы интерес возобновился после открытия того, что некоторые кристаллические материалы, содержащие много водорода, демонстрируют удивительно высокие критические температуры сверхпроводимости.
В 2015 году группа ученых из Германии сообщила о сверхпроводимости соединения водорода и серы при температуре 203К – это всего лишь -70С. Четыре года спустя та же группа описала соединение водорода и металлического лантана, которое проявляло признаки сверхпроводимости, теряя всякое сопротивление при -23°C, в то время как группа в Вашингтоне, округ Колумбия, ранее в том же году обнаружила, что тот же материал является сверхпроводящим всего лишь при -13°C. Команда из Рочестерского университета в Нью-Йорке вызвала большой ажиотаж в 2020 году, заявив о сверхпроводимости при температуре почти 15°C в соединении углерода, водорода и серы, но позже им пришлось отозвать этот результат из-за обвинений в неправомерном поведении.
Загвоздка заключалась в том, что для того, чтобы стать сверхпроводящими, все эти богатые водородом материалы должны были сжиматься между алмазами до огромных давлений, сравнимых с теми, что существуют в ядре Земли. Это сделало такие материалы непригодными для практического применения. Но в марте этого года исследователи из Рочестера сделали еще более поразительное заявление: сверхпроводимость при температуре примерно 21°C в еще одном водородосодержащем материале, требующем лишь относительно легкого сжатия. Едва физики твердого тела оправились от этого отчета, который пока никто не смог воспроизвести, как появился ЛК-99, который якобы вообще не нуждался в сжатии.
Ажиотаж в социальных сетях
LK-99 явно необычен для предполагаемого высокотемпературного сверхпроводника: это серовато-черный фосфатный минерал, называемый апатитом, содержащий медь и свинец. Еще более странно то, что, хотя большинство сверхпроводников до того, как они становятся сверхпроводящими, являются довольно хорошими обычными электрическими проводниками, LK-99 является изолятором при температуре выше предполагаемой Tc 127C.
Если утверждения верны, то LK-99, вероятно, сможет беспрецедентным образом стать сверхпроводником. Корейская команда предложила некоторые теоретические аргументы в пользу того, как это могло произойти, но «на мой взгляд, они неверны», — говорит Хирш. Твиттер-сфера LK-99 (теперь это вещь) стала популярной, когда физик Шинейд Гриффин из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии сообщила о расчетах того, как электроны в таком материале располагаются в «плоских полосах» (электронная особенность, связанная с некоторые высокотемпературные сверхпроводники), что некоторые интерпретировали как поддержку ЛК-99 как сверхпроводника. Но сама Гриффин говорит, что это не обязательно так. «Плоские полосы могут означать сверхпроводимость, но могут также означать множество других явлений».
Другие заявили, что доказательства о LK-99, предоставленные первоначальной южнокорейской командой, небрежны. Да, их результаты показали внезапное падение сопротивления ниже 127°С, но эксперты говорят, что это тоже может быть вызвано не только сверхпроводимостью, но и другими эффектами. Измерения сопротивления «совсем не убедительны», говорит Хирш. Физик Майкл Фюрер из Университета Монаша в Австралии говорит, что электрическое сопротивление на самом деле падает не до нуля, а до значения, которое более чем в 1000 раз превышает сопротивление обычных металлов, таких как медь. почти ничего из-за высокого значения, с которого оно начинается. «В целом, это не похоже на ту тщательную работу, которую можно ожидать от отчета об этом воздействии», — говорит он.
Попытки воспроизвести результаты LK-99 в лабораториях по всему миру вместо этого разрушили их. Например, группа из Юго-восточного университета в Нанкине, Китай, изготовила образец LK-99 и в августе сообщила на arXiv, что они наблюдали падение сопротивления до нуля только при температуре ниже примерно 110К – около -160С.
«Несколько лабораторий синтезировали LK-99 разными методами и обнаружили, что это не сверхпроводник», — говорит Фюрер. Он и Хирш подозревают, что значительное падение сопротивления, наблюдаемое первоначальной командой, было вызвано примесями в материале.
Одним из наиболее убедительных признаков сверхпроводимости является то, что такие материалы будут парить над магнитами из-за того, что сверхпроводимость «выталкивает» магнитное поле из самого вещества: эффект Мейснера. Корейские исследователи заявили, что видели это на LK-99, и 3 августа отправили в New York Times видео, на котором видно пятнышко этого вещества, которое, по-видимому, висит подвешенным над магнитом. Это последовало за видео, опубликованным в китайских социальных сетях 1 августа командой Хуачжунского университета науки и технологий в Ухане, Китай, которая якобы продемонстрировала образец LK-99, левитирующего на магните. Но левитация также может быть вызвана обычным магнетизмом, и другое исследование, опубликованное на arXiv, предполагает, что именно это происходит с LK-99.
Итак, похоже, вечеринка окончена – на данный момент. «К настоящему времени существует множество доказательств того, что это не сверхпроводимость», — говорит Хирш.
Практическое применение
Тем не менее, нет никаких оснований думать, что сверхпроводимость при комнатной температуре невозможна. И если его найдут, это может иметь большое значение. «Сверхпроводник при комнатной температуре, который мог бы стать практическим инженерным материалом, мог бы стать весьма революционным», — говорит Джон Даррелл, профессор технологии сверхпроводников в Кембриджском университете. Но он добавляет: «Существует огромная разница между материалом, который является сверхпроводником, и практическим инженерным сверхпроводником».
Применение может зависеть от того, насколько легко эти хрупкие кристаллические материалы можно превратить в провода и смогут ли они проводить достаточно большой ток без нарушения сверхпроводимости. Даже если бы LK-99 был таким, как заявлено, «вероятно, потребовалось бы много исследований, чтобы превратить его в пригодный для использования материал», — говорит Даррелл.
Маловероятно, что с его помощью будет перемонтирована вся электросеть, говорит Даррелл. Скорее, основное применение будет заключаться в создании сильных магнитных полей. Сканеры МРТ могли бы быть дешевле и компактнее — они могли бы быть в каждом кабинете врача общей практики. И мы могли бы создать электромагниты, которые практически не требуют затрат энергии после включения, что приведет к созданию поездов на магнитной подвеске и более эффективных двигателей, генераторов и ветряных турбин. Учитывая то, что существующие сильные магниты позволили создать мощные двигатели, используемые дронами, Даррелл говорит: «Практичный сверхпроводник при комнатной температуре потенциально мог бы сделать электрические самолеты с межконтинентальной дальностью полета не мечтой, а скорее неизбежной реальностью».
Но, возможно, настоящие убийственные применения такого материала еще предстоит представить. В конце концов, говорит Хирш: «Представьте, насколько другим был бы мир, если бы полупроводники (такие как кремний, используемый во всех сегодняшних микрочипах) не работали бы при температуре выше температуры жидкого азота».
Все это остается гипотетическим, но поиски наверняка будут продолжаться. Между тем, ученые в этой обычно загадочной области наслаждались редким моментом в центре внимания. «Так приятно видеть интерес к физике твердого тела!» — говорит Гриффин.
No comments:
Post a Comment