Учени откриха нов свръхпроводник при стайна температура

Тази седмица учени обявиха вълнуващ напредък към мечтата за материал, който може лесно да провежда електричество в ежедневни условия. Пробив като този може да трансформира почти всяка технология, която използва електрическа енергия, отваряйки нови възможности за вашия телефон, магнитни влакове и бъдещи станции за термоядрен синтез.

Обикновено потокът от електричество среща съпротивление, докато се движи през проводниците, почти като форма на триене, и част от енергията се губи като топлина. Преди век физиците откриха материали, сега наречени свръхпроводници, в които електрическото съпротивление привидно магически изчезна. Но тези материали губят своята устойчивост само при много ниски температури, което ограничава практическите приложения. В продължение на десетилетия учените търсят свръхпроводници, които работят при стайна температура.

Съобщението от тази седмица е последният опит в това усилие, но идва от екип, изправен пред широко разпространен скептицизъм, тъй като документ от 2020 г., описващ обещаващ, но по-малко практичен свръхпроводящ материал, беше такъв. да се оттеглят След като други учени поставиха под въпрос някои от данните.

Новият свръхпроводник е направен от лутеций, рядкоземен метал, и водород с малко азот, смесен. Нуждае се от налягане от 145 000 psi, преди да придобие своята свръхпроводяща мощ. Това е около 10 пъти повече от налягането, упражнявано на дъното на най-дълбоките океански ровове.

Но също така е по-малко от една стотна от това, което изискваше резултатът от 2020 г., което беше подобно на силите на разрушаване, открити на няколко хиляди мили дълбоко в Земята. Това показва, че по-нататъшните изследвания на материала могат да доведат до свръхпроводник, който работи при стайна температура и при типично атмосферно налягане от 14,7 psi.

„Това е началото на нов тип материал, който е полезен за практически приложения“, каза Ранга П. Диас, професор по машинно инженерство и физика в университета на Рочестър в Ню Йорк, пред стая, пълна с учени във вторник. На среща на Американското физическо дружество в Лас Вегас.

Това беше пълно отчитане на резултатите на отбора му Публикувано в сряда в Natureкоето е същото списание, което публикува и след това оттегли резултатите от 2020 г.

Екипът в Рочестър започна с малки, тънки люспи лутеций, сребристо-бял метал, който е сред най-редките от редкоземните елементи, и ги компресира между два преплитащи се диаманта. След това газ от 99% водород и 1% азот се изпомпва в малката камера и се изстисква при високо налягане. Пробата се нагрява една нощ при 150 градуса по Фаренхайт и след 24 часа налягането се освобождава.

Около една трета от времето процесът дава желания резултат: малък, жив син кристал. „Не е толкова лесно да се получи азот в лутециев хидрид“, каза д-р Диас.

В лабораторна зала на университета в Рочестър, използвана от групата на д-р Диас, студентката Хираня Басан демонстрира изненадващото променливо свойство на материалите по време на посещение на репортер миналата седмица. Когато винтовете бяха затегнати, за да се увеличи налягането, синьото се изчерви.

„Много е розово“, каза д-р Диас. При по-високо налягане, каза той, „това става ярко червено.“

Прокарването на лазер през кристалите разкри как те вибрират и отключи информация за структурата.

В друга стая други членове на екипа на д-р Диас правеха магнитни измервания на други кристали. Когато температурите паднаха, прожектираните гноми се появиха в данните, изобразени на екрана на компютъра, което показва прехода към свръхпроводник.

„Това е директно измерване, което правим сега“, каза д-р Диас.

В статията изследователите съобщават, че розовите кристали показват ключови свойства на свръхпроводниците, като нулево съпротивление, при температури до 70 градуса по Фаренхайт.

„Аз съм предпазлив оптимист“, каза Тимъти Стробъл, учен от Института за наука Карнеги във Вашингтон, който не е участвал в изследването на д-р Диас. „Данните във вестника изглеждат страхотни.“

„Ако това е реално, това е наистина, наистина важен пробив“, каза Пол CW Чу, професор по физика в университета в Хюстън, който също не е участвал в изследването.

Частта „ако“ от тези настроения обаче се върти около д-р Диас, който е преследван от скептицизъм, критика и дори обвинения от някои учени, че е изфабрикувал някои от данните си. Констатациите от доклада на Nature от 2020 г. не са били възпроизведени от други изследователски групи и критиците казват, че д-р Диас е бил бавен, за да позволи на другите да проучат данните му или да проведат независими анализи на неговите свръхпроводници.

Редакторите на Nature оттеглиха предишната статия миналата година поради възраженията на д-р Диас и другите автори.

„Изгубих малко вяра в това, което идва от тази група“, каза Джеймс Хамлин, професор по физика от университета във Флорида.

Новият документ обаче премина процеса на партньорска проверка в същото списание.

Говорителка на Nature каза: „Оттеглянето на изследователска статия не дисквалифицира автоматично автора от изпращане на нови ръкописи.“ „Всички изпратени ръкописи се разглеждат независимо въз основа на качеството и навременността на тяхното познаване.“

На конференцията във вторник в Лас Вегас толкова много физици се натъпкаха в тясна конферентна зала, че модератор помоли някои да напуснат, за да не се налага да отменят презентацията. След като стаята беше разредена, д-р Диас успя да представи откритията си без прекъсване. Докато благодари на тълпата, модераторът се оплака, че им е свършило времето да задават въпроси.

Д-р Стробел признава продължаващия спор около д-р Диас и предишните необичайни твърдения, които все още не са възпроизведени.

„Не искам да чета твърде много в това, но тук може да има модел на поведение“, каза д-р Стробел. „Той наистина може да бъде най-добрият хипербарен физик в света, на път да спечели Нобелова награда. Или нещо друго се случва.“

Свръхпроводимостта е открита от холандския физик Хайке Камерлинг Оннес и неговия екип през 1911 г. Свръхпроводниците не само пренасят електричество с нулево електрическо съпротивление, но също така притежават странна способност, известна като ефект на Майснер, която гарантира, че няма магнитно поле вътре в материала. .

Първите известни свръхпроводници изискваха температури няколко над абсолютната нула или минус 459,67 градуса по Фаренхайт. През 80-те години на миналия век физиците откриха така наречените високотемпературни свръхпроводници, но дори тези свръхпроводници стават в условия, много по-хладни от тези, които срещаме при ежедневна употреба.

Стандартната теория, обясняваща свръхпроводимостта, предвижда, че водородът трябва да бъде свръхпроводим при по-високи температури, ако може да бъде компресиран достатъчно силно. Но дори и най-устойчивият диамант се счупва, преди да успее да достигне напрежения от такъв мащаб. Учените започнаха да разглеждат водорода, смесен с друг елемент, мислейки, че химическите връзки могат да помогнат за компресирането на водородните атоми.

През 2015 г. Михаил Еремец, физик от Института по химия „Макс Планк“ в Майнц, Германия, съобщи, че сероводородът – молекула, състояща се от два водородни атома и един серен атом – се трансформира в свръхпроводник при 94 градуса по Фаренхайт под налягане, когато се компресира до около 22 Mn. паунда на квадратен инч. Това беше рекордно висока температура за свръхпроводник по това време.

Д-р Еремец и други учени по-късно откриха, че лантановият хидрид – съединение, съдържащо водород и лантан – достига температура на свръхпроводимост от по-малко от 10 градуса по Фаренхайт при много високо налягане.

Противоречиви заключения

В изследването, описано в изтегления документ от 2020 г., групата на д-р Диас използва водород, сяра и въглерод. Учените казаха, че чрез три елемента те са успели да коригират електронните свойства на съединението, за да постигнат високотемпературна свръхпроводимост.

Не всички обаче повярваха.

Основният опонент на д-р Диас е Хорхе Хирш, теоретичен физик от Калифорнийския университет в Сан Диего. Той се съсредоточи върху измерванията, направени от групата на д-р Диас, за реакцията на съединение от въглерод, сяра и водород към променливи магнитни полета, което е доказателство за ефекта на Майснер. Сюжетът в статията изглеждаше много чист и учените не обясниха как са изключили фоновите влияния в сюжета.

Когато д-р Диас публикува необработените данни, каза д-р Хирш, неговият анализ показва, че те са били генерирани от математическа формула и не могат да бъдат реално измерени в експеримент. „С аналогията не получавате аналитични формули“, каза д-р Хирш. „Получавате числа с шум.“

Оплакванията му от д-р Диас станаха толкова настойчиви и интензивни, че други хора в областта разпространиха писмо, оплакващо се от десетилетия разрушително поведение на д-р Хирш.

Д-р Хирш е шоумен от магазин за порцелан, който се прицелва в теорията на BCS, създадена през 1957 г. от трима физици – Джон Бардийн, Леон Н. Купър и Дж. Робърт Шрайвър – за да обясни как работи свръхпроводимостта. В много отношения, казва той, BCS е „лъжа“, неспособна да обясни ефекта на Майснер. Той излезе със собствено алтернативно обяснение.

Трябва да се отбележи, че д-р Хирш каза, че не може да има свръхпроводимост в нито един от тези материали с високо налягане, защото водородът не може да бъде свръхпроводник. Той спечели малко съюзници.

Докато д-р Хирш внимава да казва, че учените, различни от д-р Диас, не извършват неправомерно поведение, той казва, че те се заблуждават.

„Според мен изрезките стават заключения“, каза той.

резистентност и размножаване

Д-р Хамлин от Университета на Флорида също се задълбочи в магнитните измервания и каза, че изглежда така, сякаш необработените данни са извлечени от публикувани данни, а не обратното.

Д-р Хамлин също беше обезпокоен, когато установи, че няколко параграфа от неговата докторска дисертация, която той написа през 2007 г., са се появили дума по дума в тезата на д-р Диас.

Д отказва. Диас продължи да критикува и казва, че неговата група е предоставила обяснения. „Чувствах се просто като фонов шум“, каза той. „Опитваме се да продължим да движим нашата наука напред.“

Той каза, че все още стои зад предишните открития и че вестникът от сряда е използвал нова техника за магнитните измервания. Той каза, че документът е преминал през пет кръга на проверка от рецензенти и че всички необработени данни зад констатациите са били споделени.

„Отново се върна в природата“, каза д-р Диас. — Значи това ти говори нещо.

След две университетски разследвания, Сара Милър, говорител на университета в Рочестър, каза: „Беше установено, че няма доказателства в подкрепа на тези опасения“. В него също така се казва, че университетът е „разгледал въпроса за оттеглянето на документа в Nature през септември 2022 г. и е стигнал до същото заключение“.

Що се отнася до препис от докторската дисертация на д-р Хамлин, д-р Диас каза, че е трябвало да включи цитати. „Вината беше моя“, каза д-р Диас.

Направете отново предпечатните измервания на въглерод, сяра и водород от изтегления документ за 2020 г. сега циркулира, но дори това повдига въпроси. „Те се различават значително от оригиналните измервания“, каза д-р Стробел. „Човек може да твърди, че те сами не са възпроизвели резултатите.“

Тъй като новият базиран на лутеций материал е свръхпроводим при много по-ниско налягане, много други изследователски групи ще могат да се опитат да възпроизведат експеримента. Д-р Диас каза, че иска да предостави по-точна рецепта за това как да се направи съединението и да сподели проби, но първо трябва да се разрешат проблемите с интелектуалната собственост. Той е основал компания Unearthly Materials, която планира да превърне научните изследвания в печалба.

Д-р Стробел каза, че ще започне работа веднага щом се върне от конференцията в Лас Вегас. „Бихме могли да получим резултат буквално за един ден“, каза той.

Д-р Хирш също каза, че очаква отговорите да дойдат бързо. „Ако това е вярно“, каза той, „това доказва, че работата ми през последните 35 години е грешна.“ „За което много бих се радвал, защото щях да знам.“

Д-р Хирш добави: „Но мисля, че съм прав, а това е грешно“.

Кимбърли Макгий Допринесе репортажи от Лас Вегас.