Nadprzewodnictwo w temperaturze pokojowej

W poszukiwaniu niezidentyfikowanych obiektów nadprzewodzących

Grupa południowokoreańskich uczonych twierdzi, że odkryła pierwszy materiał nadprzewodzący, działający w temperaturze pokojowej. Kiedy świat nauki czeka na potwierdzenie wyników, autor poprzedniego “przełomu” mierzy się z oskarżeniami o fałszowanie wyników badań. Dzieje się.

To prawdziwe oszustwo natury.

Jörg Schmalian

Chyba żadna inna działka współczesnej fizyki nie dźwiga równie ciężkiego balastu wstydliwych skandali, pochopnych decyzji i żenujących pomyłek, co badania nad nadprzewodnictwem[1]. Passa porażek trwa na tyle długo, że część środowiska akademickiego straciła już nadzieję na nieodległy sukces, traktując każdą kolejną publikację zapowiadającą rewolucję, z coraz większą podejrzliwością. Niestety w pełni uzasadnioną.

Główny problem pozostaje niezmienny od dekad: jeśli chcesz zmniejszyć opór elektryczny materiału do zera, musisz trzymać go w niedorzecznie wysokim ciśnieniu lub ekstremalnie niskiej temperaturze. Na tyle niskiej, że nadprzewodniki działające przy -196°C zwykło się określać już jako “wysokotemperaturowe”. Gra jest warta świeczki. Wielu świeczek. Zwykły przewodnik, jak miedź wewnątrz kabla doprowadzającego prąd do waszych domów, stawia elektryczności opór – nagrzewając się, marnotrawiąc energię i finalnie podnosząc rachunek. A ponieważ nie jesteśmy w stanie chłodzić ciekłym helem linii wysokiego napięcia, znane nam obecnie nadprzewodniki mają bardzo ograniczone zastosowanie.

Przewodnictwo elektryczne
Animacja poglądowa przedstawiająca kłopot ze “zwykłymi” przewodnikami i oporem elektrycznym.

Fizycy mają prawo zdradzać oznaki zniecierpliwienia. Samo zjawisko nadprzewodnictwa to żaden nowy wynalazek. Znamy je od 1911 roku, kiedy to Heike Kamerlingh Onnes odnotował, że rtęć zmrożona do -269°C nieoczekiwanie i nagle gubi gdzieś cały opór elektryczny. Teoria kwantowa była wtedy w powijakach, w związku z czym źródło interesującego efektu długo pozostawało tajemnicą.

Dopiero trzydzieści lat po śmierci Onnesa tercet John Bardeen[2], Leon Cooper i Robert Schrieffer, sformułował pierwszy sensowny opis nadprzewodnictwa, nazywany dziś teorią BCS. Amerykańscy fizycy doszli do wniosku, że w pewnych okolicznościach elektrony lubią łączyć się w pary (tzw. pary Coopera), zachowujące się jak osobne cząstki o całkiem nowych możliwościach[3]. Tylko w takiej postaci elektrony przenoszące ładunki przestają oddziaływać z jądrami atomów wewnątrz materii, zmieniając zwykłe przewodnictwo w stan nadprzewodnictwa. Rzecz jasna te “pewne okoliczności” to bardzo niska temperatura lub bardzo wysokie ciśnienie, konieczne do wydobycia nowych właściwości cząstek oraz stłumienia drgań między atomami.

Pary Coopera umożliwiają nadprzewodnictwo
Bardzo poglądowa animacja przedstawiająca ruch elektronów w nadprzewodniku.

Nic dziwnego, że za każdym razem, kiedy branżowe czasopisma obiegała pogłoska o uzyskaniu nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej, świat wstrzymywał oddech. I jak dotąd, za każdym razem przeżywał rozczarowanie.

Znane nadprzewodniki wysokotemperaturowe
Znane nadprzewodniki: od odkrycia Onnesa do czasów współczesnych. Większość materiałów wymaga skrajnie niskich temperatur, a wyjątki, jak dekawodorek lantanu (LaH10), który ujawnia swoje właściwości przy -23°C, potrzebuje też ciśnienia rzędu setek gigapaskali.

Niewyjaśnione szumy

Tak było w roku 2018, kiedy ukazał się preprint podpisany przez Deva Kumara Thapa oraz Anshu Pandeya. Hindusi zasugerowali wtedy, że odpowiednia kompozycja nanocząstek złota i srebra prowadzi do “znikomo małej rezystancji” już przy 12°C. Radość trwała bardzo krótko. Po zaledwie miesiącu Brian Skinner z Uniwersytetu Stanowego Ohio zauważył wśród przedstawionych wykresów coś podejrzanego. Mianowicie wzór szumu podatności magnetycznej próbki opisany na podstawie dwóch niezależnych pomiarów, dokonanych przy różnym natężeniu zewnętrznego pola magnetycznego, był identyczny. Nie trzeba być fizykiem, aby wiedzieć, że szum z definicji cechuje pewna chaotyczność – może mógłby być podobny, ale nie dokładnie identyczny.

Skinner nie czuł się ekspertem w zakresie nadprzewodnictwa, więc zachował się tak delikatnie jak potrafił. Nie oskarżył Thapa o ściągnięcie danych z sufitu, lecz jedynie wyraził zdziwienie niezrozumiałą anomalią. W króciutkim artykule stwierdził, że “o ile mu wiadomo, ta niezwykła cecha (…) nie ma precedensu w literaturze poświęconej nadprzewodnikom i nie ma oczywistego wyjaśnienia teoretycznego”. Naukowcy z Bengaluru nabrali wody w usta, a rumieńców sprawie dodały niemiłe maile oraz tajemnicze wiadomości w social mediach, jakie przez kolejne tygodnie mieli otrzymywać Skinner i inni głośni sceptycy. Praca nadal budzi kontrowersje i – z tego co wiem – żaden ośrodek naukowy nie potwierdził kontrowersyjnych wniosków, ale również nikt ich jednoznacznie nie obalił.

Fizyk, któremu pies zjadł dane

Znacznie mniej przyjemnie zakończyła się naukowa przygoda Rangi Diasa, lankijskiego fizyka pracującego na Uniwersytecie Rochester. W październiku 2020 roku zespół Diasa pochwalił się rekordem w postaci uzyskania nadprzewodnictwa w temperaturze 15°C. Istniał pewien haczyk, ponieważ badana próbka złożona z węgla, wodoru i siarki, traciła oporność dopiero po umieszczeniu jej na diamentowym “kowadle” i zmiażdżeniu pod ciśnieniem 2,6 miliona atmosfer (gdzie 3,6 mln atmosfer to ciśnienie wewnątrz jądra Ziemi). Jednak mimo tej technicznej niedogodności odkrycie trafiło na okładki renomowanych czasopism i czołówki największych portali. Bądź co bądź był to niezaprzeczalny krok naprzód. Nawet jeżeli materiał nie nadawał się do zainstalowania w domowych komputerach i lodówkach, wskazywał nowe kierunki rozwoju.

No i przyciągał sponsorów.

Fizyk Ranga Dias
Ranga P. Dias w laboratorium Uniwersytetu Rochester.

Te same media, które otrąbiły sukces, okazały się znacznie mniej zainteresowane tematem we wrześniu 2022 roku, kiedy to redakcja Nature zadecydowała o formalnym wycofaniu publikacji Diasa. W lakonicznej, trzyakapitowej notce podkreślono niejasności dotyczące przetwarzania danych:

Ustaliliśmy, że niektóre kluczowe etapy przetwarzania danych – a mianowicie odejmowania tła zastosowane do surowych danych użytych do wygenerowania wykresów podatności magnetycznej (…) wykorzystywały niestandardową procedurę zdefiniowaną przez użytkownika. Szczegóły procedury nie zostały określone w artykule, a ważność odejmowania tła została następnie zakwestionowana.

Fragment noty wycofującej publikację Rangi Diasa

Słowem wyjaśnienia. Testowanie przewodnictwa drobnych próbek materii utrzymywanych pod miażdżącym ciśnieniem, nie polega na podłączeniu żarówki. Pomiarom poddaje się efekty towarzyszące samemu nadprzewodnictwu – np. zjawisko Meissnera (wypchnięcie pola magnetycznego poza obiekt) czy właśnie zmiany w podatności magnetycznej (zdolność obiektu do namagnesowania w zewnętrznym polu magnetycznym).

Zespół Diasa protestował, jednocześnie próbując tłumaczyć luki w wycofanej publikacji. Argumenty okazały się na tyle nieprzekonujące, że przyciągnęły kolejnych sceptyków, co jeszcze pogorszyło sprawę. W rolę bezlitosnego szeryfa wcielił się Jorge Hirsch z Uniwersytetu w San Diego. Fizyk stwierdził, że bez uwzględnienia sygnału tła, postawione w artykule wnioski są bezwartościowe. Co więcej, oskarżył Diasa o celowe ukrywanie surowych danych, a tym samym sfabrykowanie sensacyjnych wyników. Lankijczyk odpowiedział, zarzucając krytykowi słabe obeznanie w temacie oraz personalne uprzedzenia. Nie próbował jednak wyjaśnić, dlaczego jego eksperymentu nie udało się odtworzyć ani uczonym z Instytutu Chemii Maxa Plancka w Moguncji, ani badaczom z Uniwersytetu Nankińskiego. Podążając za wytycznymi zawartymi w publikacji nie potrafili oni nawet zsyntezować opisanego węglowodorku siarki, nie mówiąc już o zaobserwowaniu nadprzewodnictwa. Na dodatek Dias, wbrew obietnicom, zwlekał z udostępnieniem brakujących szczegółów technicznych, zasłaniając się procedurą patentową i innymi formalnościami.

Ostatni akt tego dramatu dopisała niedawno redakcja Physical Review Letters. Czasopismo wszczęło własne postępowanie w sprawie kontrowersyjnego autora, po tym jak otrzymali zawiadomienie o możliwości popełnienia plagiatu. Zawiadomienie złożył James Hamlin. Podczas lektury jednego z artykułów Diasa, fizyk z Uniwersytetu Florydy trafił na fragmenty o podatności magnetycznej, które brzmiały dziwnie znajomo. A to dlatego, że zostały niemal żywcem przekopiowane z pracy doktorskiej Hamlina. Czy mogło być gorzej? Owszem, bo Hamlin zaraz później wpadł również na wykres ilustrujący zmiany w rezystancji tetraselenku germanu, który okazał się identyczny z wykresem pochodzącym z innego artykułu, dotyczącego… zupełnie innego związku chemicznego.

Plagiator Ranga Dias
Po lewej fragment doktoratu Jamesa Hamlina, po prawej część artykułu Diasa i Salamata (za: Dan Garisto/APS).

W świetle przedstawionych zarzutów, aż chce się sparafrazować pewną ikoniczną okładkę: “Wstyd, żenada, kompromitacja, hańba, frajerstwo”.

K-drama wokół LK-99

Niemal w tym samym czasie, kiedy część naukowców zajęła się grzebaniem kariery Rangi Diasa, po drugiej stronie globu ogłoszono kolejny potencjalny przełom. 22 lipca 2023 południowokoreańscy fizycy – Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim oraz Young-Wan Kwon – opublikowali preprint pod obiecującym tytułem: Pierwszy nadprzewodnik pracujący w temperaturze pokojowej i ciśnieniu otoczenia[4]. Jak czytamy w abstrakcie, badacze z Seulu sądzą, że udowodnili właściwości nadprzewodzące ciemnoszarego materiału na bazie ołowiu, tlenu i fosforu z domieszką miedzi, oznaczonego jako LK-99. Zauważcie, że LK-99 nie tylko nie wymaga specjalnego chłodzenia, ale też olbrzymiego ciśnienia – co z miejsca stawia go wyżej od węglowodorków siarki, rzekomo badanych przez Diasa. Jeżeli Koreańczycy mają rację, to właśnie zapewnili sobie miejsce we wszystkich podręcznikach historii nauki.

Jeden z autorów badania, Ji-Hoon Kim, omawia właściwości LK-99. Naoczną oznaką nadprzewodnictwa jest w tym przypadku efekt Meissnera, pozwalający na wypchnięcie pola magnetycznego poza obiekt i jego lewitację.

Pozostaje tylko czekać na recenzje i zewnętrzne testy, prawda? Byłoby miło, jednak wszystko wskazuje na to, że po raz kolejny nie obędzie się bez tradycyjnej dramy. W tym samym dniu, kiedy opublikowano wspomniany tekst, na arXiv pojawił się jeszcze jeden preprint dotyczący właściwości LK-99. Podobny pod względem treści, ale nie identyczny, podpisany z jakiegoś powodu już nie przez trzech, lecz sześciu autorów – z czego przynajmniej jeden twierdzi, że publikacja nastąpiła bez jego zgody.

Niezręczna sytuacja, ale to nie jedyny kłopot. Naukowcy zainteresowani tematem zwracają uwagę m.in., że nie przeprowadzono wszystkich zwyczajowych testów, że sama lewitacja nie musi wcale wynikać z efektu Meissnera (lecz z właściwości diamagnetycznych), że w eksperymentach używano niewielkich energii, a także, że udostępnione dane nie dają jednoznacznej odpowiedzi, czy materiał rzeczywiście ma zerową rezystancję, czy tylko bardzo niską (też fajnie, jednak to nie to samo). Znany nam już Brian Skinner zauważył też, że autorzy nie określili dokładnie temperatury krytycznej LK-99 – nie wiedzą, kiedy opór wraca, więc nie mogą być pewni, czy rejestrowane efekty mają związek z nadprzewodnictwem.

Zapach rewolucji

Nie piszę tego wszystkiego, żeby deprecjonować starania Koreańczyków. Sądzę jednak, że dotychczasowa historia zmagań z nadprzewodnictwem powinna studzić nasze oczekiwania. Dlaczego to takie ważne? Ponieważ możecie być pewni, że te same media, które zdążyły już narobić szumu o bliskiej rewolucji, w razie obalenia sensacyjnych wyników nie wrócą do tematu. Tak jak przemilczały porażki Thapy i Diasa.

Nadprzewodnik LK-99
Podsumowanie sytuacji na portalach technologicznych.

Jednocześnie żywię cichą nadzieję, że doczekaliśmy tego wiekopomnego momentu i będziemy świadkami największego odkrycia ostatniej dekady. Na razie prace trwają, a ponieważ LK-99 nie wymaga superlodówek i wielgachnych laserów, za odtwarzanie eksperymentu zabrały się nawet mniejsze placówki naukowe i amatorzy (serio, niektórzy transmitują swoje starania na Twitchu). Weryfikacja wyników wydaje się więc kwestią paru miesięcy. Jeśli się powiedzie, Lee, Kim i Kwon zagwarantują sobie w pełni zasłużoną Nagrodę Nobla. Jeśli nie, to sterta chybionych pomysłów po prostu znów zyska na objętości.

Aktualizacja. Weryfikacja przyszła szybciej niż sądziłem. 16 sierpnia Nature opublikowało artykuł, w którym stanowczo stwierdza, że LK-99 w temperaturze pokojowej nie wykazuje cech nadprzewodnika, a obserwowana lewitacja (czy raczej pół-lewitacja) nie ma związku z efektem Meissnera. Szukamy dalej…
Literatura uzupełniająca:
D. Kumar Thapa, A. Pandey, S. Islam, Coexistence of Diamagnetism and Vanishingly Small Electrical Resistance at Ambient Temperature and Pressure in Nanostructures, [online: www.arxiv.org/abs/1807.08572];
B. Skinner, Repeated noise pattern in the data of arXiv:1807.08572, “Evidence for Superconductivity at Ambient Temperature and Pressure in Nanostructures”, [online: www.arxiv.org/abs/1808.02929];
R. Dias, A. Salamat, E. Snider, Retraction Note: Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride, [online: www.nature.com/articles/s41586-022-05294-9];
E. Hand, ‘Something is seriously wrong’: Room-temperature superconductivity study retracted, [online: www.science.org/content/article/something-seriously-wrong-room-temperature-superconductivity-study-retracted];
S. Hall, A Superconductor Scandal? Scientists Question a Nobel Prize–Worthy Claim, [online: www.scientificamerican.com/article/a-superconductor-scandal-scientists-question-a-nobel-prize-worthy-claim/];
D. Garisto, Allegations of Scientific Misconduct Mount as Physicist Makes His Biggest Claim Yet, [online: www.physics.aps.org/articles/v16/40];
D. Garisto, ‘A very disturbing picture’: another retraction imminent for controversial physicist, [online: www.nature.com/articles/d41586-023-02401-2];
S. Lee, J. Kim , Y. Kwon, The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor, [online: www.arxiv.org/abs/2307.12008].
[+]
Total
0
Shares
Zobacz też
Czytaj dalej

Dwa stoły pana Eddingtona

Podążając szlakiem klasyków naukowej literatury, sięgnąłem ostatnio do dzieła legendarnego astronoma, sir Arthura Eddingtona. Zawarta w niej przenośnia z dwoma stołami, wciąż wydaje się świetnym asumptem do dyskusji z pogranicza nauki i ontologii.
Czytaj dalej

Kamienie prosto z Marsa

Powierzchnie odległych światów mogliśmy poznawać na długo przed wystrzeleniem w ich kierunku pierwszych sond. Wszystko dzięki temu, że…
Czytaj dalej

Naukowe “naj” 2015

Chyba nie sądziliście, że zostawię was bez jakiegoś naukowego podsumowania roku? Przyjrzyjmy się najciekawszym odkryciom, wypowiedziom, wydarzeniom i…