9 АВГУСТА 2023 Г
Действительно ли LK-99 является сверхпроводником комнатной температуры? Эти 4 теста, ни один из которых еще не был пройден, отделят факт от вымысла.
- В июле 2023 года было объявлено о новом материале, который предположительно является святым граалем сверхпроводников: прост в изготовлении и сверхпроводим как при комнатных температурах, так и при давлении окружающей среды.
- Этот материал, LK-99, изготовлен из свинцово-апатитового сплава, легированного медью, который ранее никогда не рассматривался на предмет сверхпроводимости, но имеет теоретически интересную электронно-зонную структуру.
- Работа Ли и Ким, двух ученых, ведущих работу над LK-99, наводит на размышления, но не является окончательной. Вот четыре критических теста, которые LK-99 должен пройти экспериментально, чтобы знать наверняка.
Каждый раз, когда появляется новое утверждение, которое изменит мир, первое, что должен спросить себя любой уважаемый ученый: “Верно ли это утверждение?” Вечные двигатели обещают бесплатную неограниченную энергию, но проблема в том, что они физически нереальны. Это изменило бы мир, если бы планету Земля посетили разумные инопланетяне, но проблема в том, что не существует убедительных доказательств того, что это когда-либо происходило. И, аналогичным образом, идея передачи электричества без сопротивления или теплопотерь также изменила бы мир. Это физически возможно в условиях сверхпроводника, впервые открытого еще в 1911 году, но практически достигается только при низких температурах и / или чрезвычайно высоких давлениях.
Если, конечно, новые утверждения о материале, известном как LK-99, не окажутся правдой. Теоретизированный, синтезированный и протестированный южнокорейскими учеными Сукбэ Ли и Джи-Хун Кимом, они загрузили два препринта, в которых утверждается, что они нашли первый сверхпроводник при комнатной температуре и атмосферном давлении и продемонстрировали как нулевое сопротивление, так и явление магнитной левитации, связанное только со сверхпроводниками: эффект Мейснера.
Но действительно ли LK-99 такой, каким его называют? Верны ли утверждения о его сверхпроводимости? Вот четыре ключевых вопроса, которые мы все должны задать и на ответах на которые должны быть сосредоточены все усилия по тиражированию.
1.) Можем ли мы увидеть, как напряжение на этом материале падает до нуля, как и ожидалось для сверхпроводника?
Когда у вас есть настоящий сверхпроводник, вы обычно видите, что по мере снижения температуры из несверхпроводящего состояния сопротивление постепенно падает. Затем, как только вы достигнете критической температуры, сопротивление внезапно резко упадет: до нуля. Не около нуля или близко к нулю, но до точного нуля. Выше этой критической температуры это обычный материал: с ненулевым удельным сопротивлением и, следовательно, из-за его конечной толщины и длины, с ненулевым сопротивлением, и, следовательно, подчиняется закону Ома для соотношения между напряжением, током и сопротивлением: V = IR.
Однако ниже этой критической температуры сопротивление должно полностью исчезнуть. Не “падает с другой скоростью”, а скорее очень быстро падает до нуля, а затем остается на нуле — точно на нуле — при всех температурах ниже этого критического значения. Это означает, что если вы построите график зависимости сопротивления материала от температуры, вы должны увидеть, что сопротивление резко падает до нуля. Как следствие этого, если вы создадите график зависимости напряжения от тока, вы должны увидеть, что напряжение и ток пропорциональны друг другу в условиях, не связанных со сверхпроводимостью, но когда он сверхпроводящий, напряжение должно оставаться нулевым независимо от значения тока.
Выше вы можете видеть рисунок из первой статьи, которую Ли и Ким (и еще один сотрудник, Янг-Ван Квон) загрузили 22 июля 2023 года, показывающий зависимость напряжения от тока. Что вы можете ясно видеть, так это то, что при достаточно больших токах существуют условия, при которых напряжение изменяется в зависимости от тока: свидетельство значительного сопротивления. Однако при малых токах (а насколько малыми они должны быть, показывает температурная зависимость) напряжение, по-видимому, соответствует нулю, чего и следовало ожидать, если V = IR, где R = 0. Вы получите, что V = 0, независимо от того, каков ток, потому что R = 0 подразумевает V = 0.
Но одна из вещей, которой не хватает на этом графике, - это ключевой набор точек данных, которые вам понадобятся для иллюстрации перехода: точки данных, где напряжение падает до нуля, то есть вдоль этих почти вертикальных линий. Этих данных просто нет, что подчеркивает ключевое доказательство, отсутствующее в их работе: продемонстрированный переход между несверхпроводящим и действительно сверхпроводящим поведением. Все, что они показали, это то, что ниже определенного приложенного тока в зависимости от температуры удельное сопротивление материала резко меняется, а не стремится к нулю. Эти ключевые данные необходимы для демонстрации перехода к сверхпроводимости, и их отсутствие невероятно расстраивает.
2.) Действительно ли напряжение падает до нуля, или оно просто значительно падает до небольшого, но ненулевого значения?
Это вызывает большое беспокойство: действительно ли напряжение на этом материале падает до нуля, указывая на переход к сверхпроводимости, или оно просто падает с большего значения на меньшее, которое выглядит соответствующим нулю из-за размера вертикальной оси?
Причина, по которой это такой важный вопрос, заключается в том, что существует множество материалов, которые являются плохими проводниками при определенных условиях (температура, давление или расположение атомов), но становятся хорошими проводниками при изменении этих условий. Это известно как переход металл-изолятор, и может быть обманом Ли и Ким заставить их думать, что их материал сверхпроводящий, когда на самом деле он просто демонстрирует свойства низкого сопротивления обычного обычного проводника.
Выше вы можете видеть график из первой статьи Lee & Kim (также с участием Квона), который, по-видимому, показывает, что напряжение действительно равно нулю, но это подозрительно, потому что оно отображается только при абсолютно минимальных приложенных токах: токах в десятки миллиампер, а не в сотни миллиампер, где происходит предполагаемый переход (либо к сверхпроводимости, либо к низкому сопротивлению).
Но во второй статье с четырьмя дополнительными соавторами критические данные действительно существуют (показаны выше), и это на самом деле довольно убийственно. Как вы можете видеть, точки данных “падение напряжения до нуля” по-прежнему нигде не найдены, что означает, что проблема № 1 по-прежнему остается весьма актуальной проблемой. Но очень важно, что ниже того, что они называют критической температурой, у вас все еще есть положительное, ненулевое напряжение, когда вы применяете даже небольшие токи. Как вы можете видеть из приведенного выше графика, “напряжение” по оси y падает не до нуля, а скорее до чего-то вроде 2 или 3 милливольт, также с небольшой зависимостью от тока.
Это свидетельство того, что удельное сопротивление, по-видимому, меняется мгновенно, но оно не падает полностью до нуля, что абсолютно необходимо для утверждения, что вы нашли сверхпроводник. Теперь, возможно, что этот материал, который они изготовили, действительно является сверхпроводником и просто настолько загрязнен, что низкое сопротивление, которое мы наблюдаем, связано с присутствующими в нем примесями; вот почему требуется проверка. Но самое простое объяснение заключается в том, что сверхпроводимости вообще нет, и этот материал просто ведет себя как материал с очень низким сопротивлением, соответствующий таковому у обычного проводника. Однако бремя доказательства сверхпроводимости лежит на них, а не наоборот.
3.) Действительно ли само удельное сопротивление, которое можно измерить напрямую, падает до нуля ниже критической температуры?
Вместо того, чтобы использовать напряжение в качестве прокси для вывода о возможном достижении нулевого сопротивления, почему бы просто не измерить удельное сопротивление напрямую? В конце концов, это можно сделать, и это было бы самым прямым испытанием сверхпроводимости, которое только можно провести.
Первая статья Ли и Ким, возможно, с любопытством, полностью опускает это ключевое измерение. Они озаглавили свою статью “Первый сверхпроводник комнатной температуры и давления окружающей среды”, но не представили измерения нулевого сопротивления, которые были бы прямым показателем сверхпроводимости, вместо этого полагаясь на косвенные измерения зависимости напряжения от тока.
Но во второй статье есть ключевой график зависимости удельного сопротивления от температуры, на что вы и надеялись. Как и раньше, то, что вы действительно хотели бы видеть, - это три области графика:
- выше критической температуры положительное, ненулевое удельное сопротивление, которое, как можно заметить, увеличивается (незначительно) с повышением температуры,
- при критической температуре многие точки данных показывают резкое снижение удельного сопротивления от его положительного конечного значения вплоть до нуля,
- и ниже критической температуры удельное сопротивление остается точно равным нулю, без изменений или флуктуаций, при всех температурах ниже критической.
Но, как вы можете очень четко видеть выше, происходит резкое падение удельного сопротивления, но не до нуля. Фактически, удельное сопротивление остается положительным и отличным от нуля, а затем, по мере дальнейшего снижения температуры, оно:
- первый остается постоянным,
- затем линейно падает с одной скоростью,
- затем линейно падает с другой скоростью,
- затем опускается и быстро поднимается,
- а затем снова снижается.
Несмотря на эти изменения и явную непостоянную, ненулевую природу удельного сопротивления, авторы затем предпринимают невероятно сомнительный шаг построения графика производной от проводимости (обратной к удельному сопротивлению) и показывают, за несколькими заметными исключениями (точки на графике), что это, по-видимому, константа, соответствующая нулю.
Но это только потому, что в соответствующей части графика они увеличены настолько, что не показывают должным образом, что существует много разных уровней, которые отличаются друг от друга и отличаются от нуля из-за наклона удельного сопротивления, отличающегося друг от друга на протяжении графика. Это лживое представление данных, и обман, к которому физики, в частности, особенно чувствительны. Любая успешная попытка репликации должна иметь в качестве основного бремени доказательства цель показать, действительно ли удельное сопротивление падает до нуля (и остается там) ниже критической температуры или нет.
4.) Действительно ли в этом образце наблюдается закрепление потока, связанное с эффектом Мейснера, или это просто “своего рода поднятие магнита” из-за диамагнитных или ферромагнитных эффектов?
В этом заключалась вся (научная) суть второй статьи, которую Ли и Ким опубликовали, озаглавленной “Сверхпроводник Pb10−xCux(PO4)6O, показывающий левитацию при комнатной температуре и атмосферном давлении и механизм”. Но то, что вы видите выше, является единственным доказательством (взято из видео, которое они также загрузили) того, что они называют магнитной левитацией.
Итак, это правда, что существует эффект магнитной левитации, связанный со сверхпроводниками (типа II): эффект Мейснера. Одним из отличительных признаков сверхпроводника является то, что он вытесняет все магнитные поля изнутри. Если ваш сверхпроводник чистый и первозданный (сверхпроводник типа I, похожий на простой металл), это конец истории; внутри не остается магнитных полей. Но если у вас есть сверхпроводник II типа с примесями внутри, а это практически все сверхпроводники, представляющие собой сплавы, неоднородность материала приводит к образованию вихрей магнитного поля там, где находятся примеси.
Внутри каждого магнитного вихря силовые линии поля становятся закрепленными, и это то, что приводит к явлению квантовой магнитной левитации через эффект Мейснера.
Но квантовая левитация всегда включает в себя явления, которые здесь не показаны, такие как закрепление потока / квантовая блокировка. При квантовой левитации весь материал всегда находится в левитации; у вас никогда не бывает контакта одного конца с магнитом, что показывают видео и изображения Lee & Kim (и команды).
Вместо этого то, что они называют “частичной магнитной левитацией”, является невероятно благожелательной интерпретацией их результата и, вероятно, совершенно неверной. Вместо этого вы, скорее всего, видите более простой пример магнетизма: либо сильный диамагнетизм, который вызывает магнитное отталкивание, либо пример ферромагнетизма, когда в вашем образце есть несколько постоянных полюсов “север-юг”, в результате чего одна сторона притягивает магнит снизу, а другая отталкивает его, что приводит к этой шаткой боковой конфигурации, которую вы видите в образце Lee & Kim.
В совсем недавней попытке воспроизведения трое ученых синтезировали свой собственный образец LK-99 и сообщили следующее:
“Используя измерения намагниченности на таких маленьких кусочках, а также на большом куске, который не проявляет полувевитации, мы показываем, что образцы повсеместно содержат слабые, но определенно мягкие ферромагнитные компоненты. Мы утверждаем, что вместе с выраженной анизотропией формы мелких фрагментов мягкого ферромагнетизма достаточно, чтобы объяснить наблюдаемую полувитацию в сильных вертикальных магнитных полях. Наши измерения не указывают на наличие эффекта Мейснера или нулевого сопротивления в наших образцах, что заставляет нас полагать, что наши образцы не обладают сверхпроводимостью ”.
Одна из самых опасных вещей, которые вы можете сделать, с научной точки зрения, это задавать наводящие на размышления, но неубедительные вопросы, которые вращаются вокруг критической проблемы, вместо того, чтобы сразу перейти к самим критическим проблемам. Когда вы смотрите на незначительные подсказки, такие как:
- значительное падение напряжения при определенном токе и определенной температуре,
- малые измеренные напряжения по сравнению с более ранними большими измеренными напряжениями,
- значительное падение сопротивления,
- и частичная левитация над постоянным магнитом,
это только мешает вам увидеть правду, которая возникла бы при задании более необходимых вопросов.
Падает ли напряжение до нуля и остается ли там? Действительно ли удельное сопротивление падает до нуля и остается ли там? Можем ли мы наблюдать и характеризовать эти падения надежным образом? Можем ли мы определить разницу между малым / пониженным напряжением и удельным сопротивлением и значением, которое действительно равно нулю? И наблюдаем ли мы настоящую квантовую левитацию или более распространенные и более приземленные явления диамагнетизма, парамагнетизма или ферромагнетизма?
Если бы мы настаивали на том, чтобы задавать только важные вопросы, мы бы увидели, что у нас вообще нет никаких убедительных доказательств того, что LK-99 является сверхпроводником. Пока не поступят эти доказательства, наиболее вероятно, что мы просто в очередной раз обманывали самих себя, выдавая желаемое за действительное. В конце концов, комнатная температура, окружающее давление, легко изготавливаемый сверхпроводник изменили бы мир. Мы просто не видим доказательств того, что LK-99 - это он.