LK-99 — сверхпроводимость при комнатной температуре?
Образец LK-99 демонстрирует эффект Мейснера
Возможно, корейскими учеными был создан сверхпроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении. Если это открытие подтвердится — это очень, очень изменит мир! Публикации на сайте arXiv были выложены 28 июля 2023 года, вместе с видео, якобы, демонстрирующим эффект Мейснера в образце. Под катом — часть того, что сейчас об этом известно.
Что такое сверхпроводимость и зачем она нам нужна
Это свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения. Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов и керамик, переходящих в сверхпроводящее состояние.
При понижении температуры сопротивление всех металлов снижается, и это давно известный эффект. Но в 1911 году, после того, как удалось получить жидкий гелий (кипящий всего при 4 градусах выше абсолютного нуля), обнаружилось, что некоторые металлы при охлаждении до таких температур скачком снижается до нуля. Что важно — не почти до нуля, а именно до строгого нуля. Это значит, что сверхпроводник любой длины будет иметь нулевое сопротивление и нулевые потери энергии на нагрев при прохождении через него тока.
Зеленый график показывает скачкообразное падение сопротивления при переходе в сверхпроводимость.
Использовать этот эффект для передачи электроэнергии не очень удобно — нужно поддерживать весь кабель при крайне низкой температуре, на поддержание которой может уходить больше энергии, чем рассеялось бы в обычном кабеле. Поэтому сверхпроводящие провода существуют, но имеют ограниченное применение, а на мачтах ЛЭП в большинстве своем мы используем всю ту же обычную медь.
Вот толстый бублик, внутри которого лежит пациент, полный жидким гелием чуть более, чем наполовину.
СхеЗато это позволило создать мощные и компактные электромагниты и очень сильные магнитные поля, практически недостижимые без сверхпроводимости. В частности, всем известные аппараты МРТ в основном используют сверхпроводящие электромагниты.
Эффект Мейснера и левитация
Эффект Мейснера в сверхпроводниках — это явление, при котором сверхпроводник полностью выталкивает из себя магнитное поле. По сути, сверхпроводник ведет себя, как идеальный диамагнетик (хотя механизмы этих явлений разные). Диамагнетики — это материалы, которые в присутствии внешнего магнитного поля намагничиваются в обратном этому полю направлении (и отталкивая внешнее поле). Это позволяет диамагнетикам (или сверхпроводникам) левитировать в сильном поле.
Отталкиваясь от неподвижного сверхпроводника, магнит «всплывает» сам и продолжает «парить» до тех пор, пока внешние условия не выведут сверхпроводник из сверхпроводящей фазы. В результате этого эффекта магнит, приближающийся к сверхпроводнику, «видит» магнит одинаковой полярности и точно такого же размера, — что и вызывает левитацию.
Высокотемпературная сверхпроводимость
После открытия сверхпроводимости начались исследования критической температуры разных металлов и сплавов в поисках такого, для которого не требуется использование дорогого и сложного в обращении жидкого гелия.
Первыми явление высокотемпературной сверхпроводимости в соединении La2-xBaxCuO4 с критической температурой 35 К открыли сотрудники научного подразделения корпорации IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 году, за это открытие в 1987 году им была присуждена Нобелевская премия.
В 1987 году был открыт сверхпроводник YBCO (оксид иттрия-бария-меди), с критической температурой 92 К. Это был первый сверхпроводник, критическая температура которого выше температуры кипения жидкого азота (77 К).
Как видно на картинке выше, до комнатной температуры при атмосферном давлении очень далеко. Требуются или экстремально высокие давления, или температуры жидкого азота как минимум.
Важно заметить, что хорошего теоретического объяснения высокотемпературной сверхпроводимости все еще нет (классической — есть).
Вопрос о том, как возникает сверхпроводимость в высокотемпературных сверхпроводниках, является одной из основных нерешенных проблем теоретической физики конденсированного состояния. Механизм, который заставляет электроны в этих кристаллах образовывать пары, неизвестен. Несмотря на интенсивные исследования и множество многообещающих зацепок, объяснение до сих пор ускользало от ученых. Одна из причин этого заключается в том, что рассматриваемые материалы, как правило, представляют собой очень сложные многослойные кристаллы, что затрудняет теоретическое моделирование.
LK-99
22–29 июля 2023 года на сайте с препринтами научных работ arXiv.org появились две статьи:
Вот что пишут исследователи:
Впервые в мире нам удалось синтезировать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре (Tc≥400 K, 127∘C) и атмосферном давлении, с модифицированной структурой свинцового апатита (LK-99). Сверхпроводимость LK-99 подтверждена такими характеристиками, как критическая температура (Tc), нулевое сопротивление, критический ток (Ic), критическое магнитное поле (Hc) и эффект Мейсснера. Сверхпроводимость LK-99 происходит из-за небольшой деформации структуры, вызванной слегка уменьшившимся объемом (0,48%), а не внешними факторами, такими как температура и давление. Это уменьшение объема вызвано замещением ионов Cu2+ на ионы Pb2+(2), изолированные атомами фосфата свинца, что вызывает напряжение. Это напряжение передается цилиндрической колонне атомов Pb (1) , что приводит к искажению структуры цилиндрической колонны и созданию сверхпроводящих квантовых ям (SQWs). Результаты измерения теплоемкости указывают на то, что новая модель подходит для объяснения сверхпроводимости LK-99.
А что с подтверждениями?
В науке главное — воспроизводимость результатов, ведь наукообразную статью может написать кто угодно. Обычно ученые скептично относятся к таким «прорывным изобретениям», так как в 99% случаев они оказываются ошибкой или намеренной ложью.
Но в данном случае эффект привлек внимание, и его проверкой занимаются многие лаборатории, институты и энтузиасты. Есть и негативные результаты, и частично позитивные.
Результаты на 1 августа 2023 года
Стоит заметить, что левитация не обязательно доказывает сверхпроводимость — в очень сильных магнитных полях левитирует даже лягушка, так что материал может оказаться просто хорошим диамагнетиком.
Синтез и магия
Предложенный авторами метод синтеза очень прост и доступен практически кому угодно.
Схема синтеза из оригинальной публикации
Смешиваем порошки оксида свинца и сульфата свинца, нагреваем в вакуумированной ампуле 24 часа при температуре 725 градусов.
Смешиваем порошки меди и фосфора, нагреваем в вакуумированной ампуле 48 часов при температуре 550 градусов.
Делаем порошки из полученного на предыдущих этапах, смешиваем, нагреваем в вакуумированной ампуле 5–20 часов при температуре 925 градусов.
Первые два этапа синтеза тривиальны. «Магия» происходит на третьем этапе, и точные параметры удачного синтеза неизвестны, что и показывает нестабильность результатов сейчас.
Неизвестно ни идеальное соотношение смесей, ни температура, ни время. Иногда упоминается, что удачный образец получился в треснувшей на каком-то этапе пробирки и, соответственно, попаданию кислорода.
Как оно работает?
Неизвестно. Но начинают появляться первые теоретические идеи.
Моделирование Национальной лаборатории Беркли подтверждает, что структура LK-99 может поддерживать и обеспечивать сверхпроводимость.
[2307.16892] Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite (arxiv.org)
Моделирование показало то, что, по предложению оригинальных корейских авторов, происходило с их материалом — атомы меди просачивались в кристаллическую структуру и заменяли атомы свинца, заставляя кристалл слегка напрягаться и сжиматься на 0,5%.
Оказывается, существуют пути проводимости для электронов, которые находятся в правильных условиях и местах, которые позволили бы им «сверхпроводимость». В частности, они были близки к «поверхности Ферми», которая похожа на уровень моря электрической энергии, например,»0 метров над уровнем моря». В настоящее время считается, что чем больше путей проводимости близко к поверхности Ферми, тем выше температура, при которой вы можете наблюдать сверхпроводимость (аналогия может заключаться в том, как самолетам легче летать близко к поверхности океана из-за «эффекта земли», который дает им большую подъемную силу).
Получится?
Пока неясно. С одной стороны, никаких теоретических запретов на существование сверхпроводимости при комнатной температуре — нет, как нет и нарушения фундаментальных законов физики. Это выглядит реалистичнее, чем холодный ядерный синтез или Em-Drive. С другой стороны, к исходным публикациям у ученых много вопросов, хорошей теории — нет, качественных воспроизведений опытов — тоже нет. И вообще, слишком просто?
Еще можно вспомнить историю изобретения транзисторов, когда долгое время вроде бы что-то проявлялось, но нестабильно, не всегда, не совсем понятно, как. И первым был изобретен биполярный транзистор в попытках создать полевой, при довольно слабой теоретической модели и через множество практических экспериментов. И только потом стало понятно, как оно работает и как создавать транзисторы серийно.
