Жду новый пост

Серия «Наука»

Небольшой кусок синтезированного сверхпроводника LK-99 левитирующий над магнитом, был сенсацией в Твиттере. Хён Так Ким

Перевод статьи New York Times 3 августа 2023 года. Автор Кеннет Чанг

Пользователи социальных сетей взволнованы тем, что стало бы прорывом в физике твердого тела, но многие эксперты в этой области осторожно настроены на скептицизм.

Когда у Шинейд Гриффин из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в Калифорнии появились новые выводы о, казалось бы, волшебном материале, который заставил пользователей Twitter сходить с ума, ей не пришлось много делать, чтобы привлечь много внимания.

Необычный материал под названием LK-99 был представлен миру как сверхпроводник, который будет передавать электричество при комнатных температурах с нулевым сопротивлением.

В Twitter - или X, как переименовал его Илон Маск - "LK-99" был популярной темой в последние дни, и энтузиасты приветствовали то, что они считают долгожданным святым Граалем физики, который преобразит повседневную жизнь с помощью новых технологий для решения проблемы изменения климата и превращения левитирующих поездов обычным явлением.

В понедельник вечером доктор Гриффин сообщила миру социальных сетей о своих выводах в коротком посте, который содержал только ссылку на ее предварительную статью и анимированный GIF президента Барака Обамы, уронившим микрофон на ужине корреспондентов Белого дома в 2016 году.

Реакция была восторженной. Падение микрофона было интерпретирована некоторыми пользователями X как подтверждение того, что Святой Грааль был найден.

Таким образом, Доктор Гриффин обеспечила еще один крутой поворот в американских горках волнения, которые уже более недели притягиаают поклонников LK-99 .

Сага началась, когда команда южнокорейских ученых, большинство из которых работает в крошечной стартап-компании под названием Quantum Energy Research Center в Сеуле, опубликовала два отчета, в которых описывалась техника изготовления LK-99 и измерения, которые, по их словам, показали сверхпроводящие свойства материала. (Название материала происходит от инициалов фамилий двух ученых - Сукбе Ли и Джи Хун Кима - и 1999 года, когда, как они говорят, они впервые синтезировали LK-99.)

Наиболее поразительно, что они предоставили видео, показывающее небольшой образец, частично левитирующий над магнитом. По словам ученых, левитация продемонстрировала эффект Мейсснера, который обеспечивается нулевым магнитным полем внутри сверхпроводника.

Алекс Каплан, который когда-то специализировался по физике в Принстоне, узнал об LK-99 на Hacker News, веб-сайте агрегации новостей.

"Я был просто шокирован", - сказал г-н Каплан в интервью. "Моя челюсть упала на пол, и я начал звонить каждому другу, которого знал в физике".

В ту ночь он поделился своим волнением в Твиттере.

С этим твитом, который получил более 132 000 лайков, г-н Каплан присоединился к группе поклонников LK-99, которые вызвали волнение в социальных сетях на прошлой неделе. Однако большинство энтузиастов не являются экспертами. Г-н Каплан, например, работает руководителем кофейного продукта в Cometeer, компании, которая продает экстракт замороженного кофе.

Ученые, изучающие сверхпроводимость и физику твердого тела, были тише. Они ценят любопытство - их работа редко вызывает безумие общественного радости - но они озадачены тем, почему это конкретное заявление о сверхпроводниках комнатной температуры дико взлетело, в то время как многие более ранние утверждения, которые не подтвердились, приходили и уходили без фанфар.

"Это великолепно, что общественность заинтересовалась исследованиями в области физики твердого тела", - сказала доктор Гриффин. “С должной осторожностью, что это объясняется правильно, и с оговорками, которые, я думаю, необходимы для некоторых из этих обсуждений. Но вообще я думаю, что это весело".

Скептикизм сохраняется, потому что данные, предоставленные корейскими учеными до сих пор не являются убедительными, говорят многие эксперты.

"Еще слишком рано делать вывод о сверхпроводимости", - сказал Санкар дас Сарма, директор Центра теории конденсированных сред в Мэрилендском университете. "Эты данные чрезвычайно возможны, но они ни в коем случае не убедительны (на 100%)".

Доктор Дас Сарма опубликовал комментарии в аккаунте центра в Twitter. Например, он отметил, что при температуре, которая, по утверждению корейских ученых, LK-99 превращается в сверхпроводник, электрическое сопротивление падает, но не до нуля. Действительно, сопротивление материала, изготовленного из минерального апатита с некоторыми атомами свинца, замененными медью, примерно в 100 раз выше, чем у чистой меди и других хорошо проводящих металлов.

Видео о левитации также не является окончательным, потому что не сверхпроводящие материалы, включая графит, также могут частично плавать таким же образом.

В прошлые выходные г-н Каплан, который начал большую часть первоначального ажиотажа, опубликовал изображение мяча Magic 8, в котором говорилось: «Вероятно, все кончено». Затем он увидел статью доктора Гриффина.

В интервью доктор Гриффин сказала, что ее статья под названием «Происхождение коррелированных изолированных плоских полос в медном свинцово-фосфатном апатите» не подтвердила шумиху.

"Я точно не описываю сверхпроводимость в этих расчетах", - сказала она. Скорее, ее компьютерное моделирование показывает, что замена меди в апатите действительно привела к необычному перестройке атомов. Объем кристаллической структуры минерала на самом деле немного уменьшился. Это, в свою очередь, похоже, смещает электронную структуру на ту, которая может способствовать сверхпроводимости.

Электронные функции, известные как "плоские полосы", похожи на то, что наблюдалось в высокотемпературных сверхпроводниках, классе материалов, обнаруженных в 1980-х годах. (Название - высокотемпературные сверхпроводники - несколько вводит в заблуждение. Они работают при температурах значительно теплее, чем наблюдалось ранее, но все еще холоднее, чем любое естественное место на Земле.)

Особенности могут облегчить сильное взаимодействие между большим количеством электронов, что может привести к сверхпроводимости, но не всегда.

Доктор Гриффин признает, что расчеты электронной структуры менее окончательны, чем ее выводы об усадке кристалла из-за огромного количества задействованных электронов. "Существует много приближений, которые вы должны сделать при этом", - сказала она. "Это не окончательный расчет того, что вы измеряете в эксперименте".

Группа китайских ученых опубликовала статью, описывающую аналогичные расчеты, которые нашли аналогичную электронную структуру.

"Я действительно не испытываю волнения по поводу ее препринта", - сказал Дуглас Нательсон, профессор физики в Университете Райса в Хьюстоне. "Это не значит, что это неправильно, просто то, что теоретики и люди из вычислительных материалов очень часто производят препринты на основе последнего заявленного интересующего материала. В этом нет ничего исключительного".

В среду за публикацией доктора Гриффин последовала длинная череда твитов, сдувающая оптимистичные интерпретации микрофонного GIF.

Цикл волнения и дефляции повторился позже в тот же день, когда ученые Юго-Восточного университета в Нанкине, Китай, сообщили, что они синтезировали LK-99 и измерили нулевое сопротивление в одном из образцов.

Однако сообщенное нулевое сопротивление произошло, когда образец охлаждался до минус 126°С, а не комнатной температуры, и это было постепенное снижение электрического сопротивления, а не резкое падение, которое можно было ожидать от сверхпроводника. Данные также показали падение сопротивления при более высоких температурах, которое ученые Юго-Восточного университета приписывают примесям или инструментальному сбою.

Доктор Дас Сарма снова не был впечатлен. "Юго-Восточный Университет (КНР) также не получил перехода", - написал он в твиттере. "Никто не может обмануть природу".

Доктор Дас Сарма сказал, что он знает, что исследовательские группы нескольких видных физиков работают над синтезом материала и проведением измерений, чтобы определить, действительно ли LK-99 является сверхпроводником.

"Заявка на это огромное достижение должно быть тщательно изучено", - д-р Дас Сарма сказал. "И должны быть дублированы независимыми группами как можно больше вариантов проверили, прежде чем мы объявим о победе".

Он добавил: "Я считаю, что это может произойти. Но это не значит, что это произошло".

Автор статьи Кеннет Чанг работает в The Times с 2000 года, пишет о физике, геологии, химии и планетах. Прежде чем стать научным писателем, он был аспирантом, чьи исследования были связаны с контролем хаоса.

Подробнее о Кеннете Чанге

Другие статьи по теме:

НАЙДЕН ГРААЛЬ ФИЗИКИ - ГОРЯЧАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ?

LK-99 - сверхпроводник лета

Корейские учёные Сокпэ Ли, Чжихун Ким и Янг-Ван Квон заявили об открытии сверхпроводимости при +127°С (400°К).

Если открытие подтвердится, наша цивилизация изменится.

Эффект достигнут на свинцово-апатитовом материале, в котором четверть ионов свинца заменили медью. Ли и Ким получили материал в 1999 и назвали его LK-99 по первым буквам своих фамилий и последним цифрам года.

Сверхпроводящий образец LK-99 парит над магнитом

В марте 2023 года ученые получили патент на LK-99, в апреле была опубликована статья в корейском журнале, но она была на корейском языке и прошла незамеченной. Только 23 июля был опубликован препринт на ArXiv.org (ссылка в конце поста). Сейчас ученые разных стран лихорадочно пробуют повторить эксперимент.

Авторы не были широко известными учёными, впрочем в исследовании сверхпроводимости новичкам часто везло на счастливые случайности.

Сверхпроводимость случайно открыл голландец Хейке Каммерлинг-Оннесом в 1911 в лаборатории в Лейдене. Ученый измерял электрическое сопротивление ртути при снижении температуры. Сопротивление плавно снижалось и вдруг при температуре около -270°С сопротивление упало вообще до нуля. Просто до нуля и всё… При сверхпроводимости сопротивления нет вообще. Мне рассказывали, что в Лейденской лаборатории до сих пор хранится кольцо с током, который включили в 1927 году. Батарею убрали, а ток крутится уже почти 100 лет. Может крутиться вечно, потерь никаких.

Следующие 75 лет ученые строили теорию сверхпроводимости и искали материалы с более горячей точкой перехода. Большой вклад внесла группа Гинзбург-Ландау-Абрикосов-Горьков (теория ГЛАГ), а основной стала теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). Точку перехода за 75 лет удалось повысить лишь на двадцать градусов. Было опубликовано много работ серьезных ученых, теоретически доказывающие невозможность сверхпроводимости при температурах выше минус 250°С.

Как вдруг в 1986 два швейцарских ученых Мюллер и Беднорц нашли сверхпроводник при температуре минус 238°С. Ученые были неизвестные, работали в маленькой лаборатории фирмы IBM в Цюрихе, про которую научная общественность не слыхала. Материал был керамикой, которая раньше не исследовалась на сверхпроводимость. Та самая керамика, из которой можно тарелки делать. В 1987 Мюллер и Беднорц получили Нобелевскую премию.

Ученые всего мира ринулись экспериментировать с керамикой. Я помню забитую до отказа Центральную Физическую аудиторию физфака, где рассказывали про «тёплую сверхпроводимость». В течение года ученые подняли температуру сверхпроводников ещё на 100 градусов до минус 140°С. В следующие годы рост температуры замедлился. Последний рекорд был в 2019 −23 °C (250K), но под большим давлением (188 ГПа). Для широкого применения не подходит. Теория БКШ не может объяснить теплую сверхпроводимость в керамиках, полная теория высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор не построена.

И вот - сообщение о прорыве корейцев сразу до плюс 127°С при атмосферном давлении. Это открывает огромные возможности.

Зачем вообще нужна сверхпроводимость? Думаете, чтобы снизить потери при передаче энергии по проводам? Вряд ли. Сверхпроводящие материалы как правило слишком дороги и сложны в обработке для проводов ЛЭП.

Основное применение сверхпроводников - для катушек, создающих мощное магнитное поле. Поэтому важно, что помимо высокой температуры корейский материал LK-99 показал устойчивость сверхпроводимости к высокому магнитному полю.

Применение горячих сверхпроводников может помочь созданию термоядерной электростанции на ТОКАМАКе (ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), где очень мощное магнитное поле, удерживает очень горячую плазму. Я уже давно считал, что мы никогда не увидим коммерческую термоядерную электростанцию, но на горячих сверхпроводниках такая станция может стать возможной. Правда, лет через 30-50, не раньше, но шанс есть.

Другим возможным применением может стать магнитная левитация - полёты на магнитной подушке. В фильмах типа «Назад в будущее» или «Звездные войны» разные устройства парят в воздухе без затрат энергии. Вряд ли ученые освоят антигравитацию, а вот парение в магнитном поле было открыто ещё в 1933 Вальтером Мейснером. Это явление называют также «эффектом Магомета» - по преданию гроб Пророка в Медине вечно висит в воздухе между небом и землей. А вдруг там мощный горячий природный сверхпроводник? ) Проверить невозможно, доступа к гробнице Мухаммеда нет, саудовские богословы запрещают поклонение гробницам.

Если бы LK-99 оправдал ожидания, поезда МагЛев на магнитной подушке стали бы гораздо экономичнее и дешевле. Да и ГиперЛуп Илона Маска обрел бы второе дыхание.

Поезд МагЛев “CRRC 600” Китай. Скорость 620 км/час. Начало эксплуатации 2025 год

Для летающих автомобилей пришлось бы прокладывать сверхпроводящие контуры под дорогами, что маловероятно, но сверхпроводники могли бы окончательно зафиксировать победу электромобилей над двигателями внутреннего сгорания. Сверхпроводники могут работать как накопители энергии. Ток закачивается в сверхпроводящее кольцо, а потом оттуда забирается. Насколько я понимаю, подобное устройство вполне возможно.

Есть и другие применения: в МРТ, квантовых компьютерах.

В конце статьи авторы написали: «Мы верим, что наша работа станет историческим событием, которое откроет новую эру для человечества».

Оптимистично…

Ждём подтверждения открытия.

ЛИТЕРАТУРА:

1. “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor” Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim, Young-Wan Kwon

2. "Consideration for the development of room-temperature ambient-pressure superconductor (LK-99)" Sukbae Lee , Jihoon Kim , Sungyeon Im and 3 other persons | 2023, 33(2) | pp.61~70

В 1859 вспышка была настолько сильной, что передняя часть магнитосферы была просто снесена ударной волной, полярные сияния горели над Северной и Южной Америки, ночью было светло как днём. Телеграфные аппараты выбрасывали снопы искр и вырубались. В 1859 году человечество ещё не зависело от электричества и всё обошлось.

Чем буря сильнее, тем ближе к экватору можно наблюдать полярные сияния. Полярные сияния "События Кэррингтона" наблюдались на Кубе [2].

Чтобы оценить вероятность нового солнечного супершторма нужны данные о подобных событиях в прошлом. Учёные ищут описания полярных сияний колодца экватора в архивах.

Полярные сияния наблюдались ещё вавилонские жрецы, а Аристотель составил первую классификацию типов полярных сияний (красные и зелёные) и наблюдаемых структур.

Сенека описывал красное полярное сияние в 35 году н.э. в Риме. Римляне решили, что горит Остия, "хлебный порт" рядом с Римом и император Тиберий послал на помощь своих гвардейцев.

Недавно японские учёные опубликовали несколько работ о «солнечном супершторме» 17-19 сентября 1770 года [3]. Была сделана подборка из около 100 различных документов об этом событии. Полярные сияния этой бури наблюдались в Японии и Китае, а также в Индонезии около острова Тимор (10° ю.ш.) экипажем капитана Джеймса Кука. С учётом широты наблюдения мощность бури была на 5-10% сильнее «События Кэррингтона».

После 1859 года бурь равных по мощности "Событию Кэррингтона" пока не было, но раз в 30-50 лет происходят сильные бури. С ростом электросетей растёт и количество катастроф.

Возмущения магнитного поля вызывают наведённые токи в трансформаторах, перегревают обмотки и трансформаторы выходят из строя. Ущерб больше в высоких широтах и на побережьях из-за высокой проводимости морской воды. Северная Америка более уязвима, чем Евразия, так как магнитный полюс смещён относительно географического полюса и находится на севере Канады (около 80° с.ш.).

В 1921 году выходили из строя электростанции и телеграфный кабель в США.

После начала космических полётов появилась опасность бурь для спутников и космонавтов. Мне рассказывали коллеги учёные, что в 70х во время сильной бури, для защиты от радиации две а космонавта на «Салюте» прятались от радиации в наиболее защищённом месте станции - туалете, - там вдоль стен было больше всего аппаратуры.

13-14 марта 1989 года ударила буря «Квебекское событие», раза в три слабее, чем «Событие Кэррингтона». В Квебеке вырубилось электричество, в Салеме (США) были разрушены трансформаторы АЭС, поломки электростанций были по всей территории США (см. карту). В Южном полушарии трансформаторы перегорали в ЮАР. Петропавловск-Камчатский тоже остался без электричества, но этот инцидент не связали с магнитной бурей.

После 1989 года были сильные бури 14 июля 2000 года ("День Бастилии") и 31 октября 2003 ("Хэллоуин"), во время которых вышли из строя некоторые спутники. Во время «Хэллоуина» космонавты на МКС прятались от радиации в русском секторе МКС – наиболее защищённом.

23 июля 2012 года произошла мощная вспышка на Солнце, сопоставимая с "Событием Кэррингтона", ударная волна прошла рядом с Землёй. Пронесло.

В отчёте, подготовленном для страховой компании Ллойд в мае 2013 оценивался ущерб бури мощности «Событие Кэррингтона» для США [5]. Прогноз: из-за выхода из строя электростанций, начнутся веерные отключения электроэнергии, 10-20% населения США останется без электричества. Пострадают спутники. Ущерб для экономики США составит 0,5-2,5 триллиона $ (3-15% ВВП). Скорость ликвидации последствий будет зависеть от наличия запасных трансформаторов и может достигать пяти месяцев.

Для усиления безопасности электростанций канадское правительство вложило с 1989 года 1,2 млрд$ (по 34$ на каждого канадца). Я не нашёл данных об усилении безопасности электростанций России.

Для того, чтобы не было аварии достаточно выключить электростанции. Но есть проблема. Учёные уже давно ведут мониторинг солнечных вспышек, но оценить направление и мощность ударной волны можно только по информации со спутников минут за 15-30 до удара [5]. Не будешь же по несколько раз в год вырубать все электростанции, а "красной кнопки" для отключения всех электростанций страны у президентов нет.

После солнечного супершторма выключится электричество, связь, интернет...

Высокотехнологичная цивилизация - хрупкая штука...

ССЫЛКИ

1. Геомагнитная буря 1859 года Википедия

2.  Геомагнитная буря Википедия

3. Long-Lasting Extreme Magnetic Storm Activities in 1770 Found in Historical Documents. Astrophysical Journal Letters Hisashi Hayakawa, Kiyomi Iwahashi, etc

4. Фото полярного сияния в Норфолке 27/03/2014. The Telegraph

5. "Solar storm Risk to the north American electric grid" Trevor Maynard, Neil Smith, Sandra Gonzalez. Report A Lloyds Space Weather Study. May 2013

В ролике использованы фрагменты фильма Дискавери о магнитных бурях и анимационной модели "события Кэррингтона 1859". Музыка: И.С.Бах «Токката и фуга ре-минор».