Научно-популярный сегмент интернета уже несколько недель гудит по поводу статьи южнокорейских ученых о создании материала, демонстрирующего сверхпроводимость в нормальных условиях. Его быстро окрестили кандидатом на святой Грааль современной физики.
Однако многие ученые не разделяют оптимизма, обращая внимание на недостатки научной статьи и отсутствие реальных доказательств существования сверхпроводимости в образце LK-99 от независимых исследователей. Скептически настроен и академик НАНУ Александр Анатольевич Кордюк, заведующий отделом сверхпроводимости Института металлофизики им. Г.В. Курдюмова и директор Киевского академического университета, с которым нам удалось пообщаться по поводу открытия.
Сразу скажу, мое отношение скептическое, поскольку еще не увидел ни одного подтверждения. Две статьи, вернее публикации на arXiv (сайт, где публикуются черновые варианты научного исследования, не рецензируемого независимыми экспертами), которые я видел, они не проходят мой персональный порог достоверности, чтобы на это стоило обращать внимание и об этом стоило думать. Потому что сверхпроводимость — это именно моя специализация, и я был бы очень рад, если бы появился сверхпроводник, способный функционировать при комнатной температуре. Это мечта многих людей.
Мое первое впечатление — это пример аномального диамагнетика. Пиролитический графит левитирует над неодимовыми магнитами очень похожим образом.
Пожалуй, именно видео левитации привлекло больше всего внимания среди общества?
Я, кстати, видео не смотрел, а на фото оно выглядит как пиролитический графит. И это не новость. Относительно экспериментальных данных, график намагниченности и для сверхпроводника и для аномального диамагнетика выглядит почти так же.
Диамагнетизм — это когда магнитное поле внутри материала оказывается меньше, чем приложенное. Это означает, что материал не прозрачен для магнитного поля, соответственно все материалы имеют такой эффект. Представим модель атома: электроны, вращающиеся вокруг ядра, их орбитали. Если приложить магнитное поле, то эта орбита на него реагирует, поле в конце концов уменьшается. Это электродинамический эффект, когда вы прикладываете какой-то ток на какой-то контур, то поток через него не меняется. Чтобы он со временем изменился, надо выполнить определенную работу.
Если это сверхпроводник, то этот поток не будет меняться, поскольку нет сопротивления. Если это просто катушка, тогда появляется ток, который будет противодействовать этому магнитному полю. Поскольку существует сопротивление, этот ток будет затухать, и возникает электродвижущая сила. Это называется экранирующие токи, или токи Фуко. В целом так работают все электродвигатели.
Его надо подпитывать, чтобы уровень держался?
Да, подпитывать. А когда это электрон на орбите, то у него потерь нет, и у него есть определенная реакция на магнитное поле, чтобы не пускать его условно говоря, внутрь. Так создается определенный эффект диамагнетизма, но в некоторых материалах он проявляется сильнее. Медь считается очень неплохим диамагнетиком, вода — диамагнетик, наверное, все видели опыты когда лягушка левитирует в магнитном поле? Медь левитировать не будет, потому что она тяжелая. Вообще, лучшим диамагнетиком по моему мнению является висмут.
Подобные ситуации были даже до открытия высокотемпературной сверхпроводимости в купратах в 1986 году. Были работы, Русинова кажется, который нашел в каком-то материале аномальный диамагнетизм, и подал это как сверхпроводимость, но его сразу затюкали.
Такие случаи регулярны, особенно когда во второй половине 80-х был бум высокотемпературной сверхпроводимости. Я за свою жизнь не видел большего всплеска активности в исследованиях. Этим, такое впечатление занимались все, даже те, кто не имел прямого отношения к физике или физике твердого тела.
Это как с графеном и нанотрубками в середине 2000-х?
Ажиотаж вокруг графена был раз в восемь меньше. Тогда очень много исследований заявляли о сверхпроводимости в новых материалах, но потом оказывалось, что это диамагнетизм такой, аномальный. Одним из примеров является левитация пиролитического графита. Когда я увидел, что можно сделать такую демонстрацию левитации, меня заинтересовало.
Постепенно появился класс очень сильных магнитов — неодимовые. Они дают такой градиент магнитного поля, чтобы в нем мог левитировать пиролитический графит. И как я понимаю, это пока единственный пример материала, который может левитировать над куском такого магнита. Даже если исследования южнокорейских ученых нашли еще один такой материал, то это отличная новость.
Так чем на самом деле является LK-99? Судя по статье — это свинец-апатит, модифицированный путем замены частицы свинца ионами меди?
Ионы меди как раз обеспечивают хороший диамагнитный отклик, видимо, это одновременно очень легкий материал, но по моему мнению — его еще рано обсуждать. Статья немного рановато получила огласку, а ажиотаж состоялся, потому что все очень давно ждут сверхпроводник комнатной температуры. Это мечта очень многих исследователей.
Довольно неуверенно выглядят измерения сопротивления, если быть точнее — вольт-амперных характеристик. Они странноваты и слишком резкие, чтобы быть реальными. Когда исследователи транспортных свойств видят такие переходы — первым делом проверяют контакты. Потому что их «отваливание» с изменением температуры почти традиция. Создание контактов, которые не будут влиять на результаты — искусство.
В этом случае не вижу смысла об этом разговаривать, потому что с большой вероятностью это не будет доказательством высокотемпературной сверхпроводимости
А что можно считать экспериментальным подтверждением сверхпроводимости при нормальных условиях в похожем эксперименте?
Это очень просто — надо, чтобы другие ученые это проверили и подтвердили :). Сейчас такие времена, что экспериментаторы не доверяют другим экспериментаторам, только своим опытам. А вот теоретики наоборот — как-то слишком сильно доверяют экспериментаторам.
Проверять надо, конечно — это интересный материал, когда мне впервые бросили ссылку на статью в архиве — я переслал ее людям, которые могут его синтезировать. Пообещали попробовать.
По меньшей мере 16 команд в мире пытаются повторить исследование, у некоторых уже не удалось… А в Украине возможно проводить такое исследование, есть ли какие-то проблемы, возможно слишком дорого?
Я не химик, но думаю, что синтезировать не проблема. Владимир Карбовський кажется взялся за эту задачу, но я еще не спрашивал о прогрессе. Он эксперт по исследованию апатитов.
А померить? Как только будет что мерить — мы это сделаем! Понятно, если мы имеем такой материал, условно, такого типа как апатит, то это не значит, что даже если он сверхпроводник, то мы сразу там увидим сверхпроводимость. Нужно хорошо изучить транспортные характеристики, для этого нужны хорошие контакты. Кроме контактов, надо, чтобы образец был такой, что он сам по себе проводит. Надо еще отделить магнитный сигнал от сверхпроводящего.
Проводятся ли в Украине исследования сверхпроводимости и есть ли какие-то весомые достижения за последнее время?
В Украине, у нас (Киевский академический Университет) один из основных центров по сверхпроводимости. В Харькове также есть Физико-технический институт низких температур (ФТИНТ), как раз его директор Юрий Найдюк и первым прислал мне статью.
О самом интересном — по моему мнению это развитие сверхпроводящей электроники. Самое перспективное — сверхпроводящие квантовые компьютеры. Хотя кажется, что до них сейчас далеко, направление развивают только крупнейшие компании, например IBM, Google, они больше всего вкладывают именно в развитие сверхпроводящих квантовых компьютеров.
То есть, когда говорят квантовый компьютер, имеется в виду сверхпроводящий?
Нет, есть много разных реализаций и на ионах определенных, например примесных центрах, оптические реализации. В ЕС как раз больше поддерживают концепцию оптического квантового компьютера. Но в целом, в США и Китае компании больше сконцентрированы на реализации концепта сверхпроводимости.
Это конечно очень дорогие проекты, ЕС пришлось сделать другой выбор, поддерживать развитие и того и другого сложно.
С другой стороны, там есть непреодолимая проблема декогеренции, потому что в квантовом компьютере должны быть кубиты, они должны между собой быть перепутаны (квантовая когерентность), этого сложно достичь для множества объектов. Для сверхпроводящих кубитов, даже при сверхнизких температурах (20 мК) очень быстро разрушается это состояние. Связать больше сотни, сейчас больше сотни, IBM обычно рекорды ставит, возможно до 200 доходит. Но для того, чтобы функционировал квантовый компьютер их нужно тысячи, десятки тысяч, в зависимости от того, как будут реализованы коррекции погрешностей. Некоторые считают, что это непереборный барьер.
Мое личное мнение — это связано с технологией алюминиевых сверхпроводников. У них очень низкая критическая температура, около 2 K (-271,15 ℃) соответственно очень узкая энергетическая щель. Она определяет частоту, на которой работают и взаимодействуют кубиты, и пропорциональна критической температуре. Частота довольно маленькая, микроволновый диапазон, если ее повысить, то улучшится стабильность.
Это можно как-то обойти?
Уже есть другие полупроводники, в частности купраты (на основе меди) имеют на порядок большую энергетическую щель. Но технически это очень сложно сделать, создать на этих сверхпроводниках контакт Джозефсона или SQUID. Что это такое? Аббревиатура от superconducting and quantum interference device. По сути это туннельный контакт из двух сверхпроводников, где наблюдается слабая сверхпроводимость, он ведет себя особым образом. Это свойство позволяет создавать очень чувствительные детекторы магнитного поля.
Пока это самое большое практическое использование сверхпроводимости. Применяется в каждом аппарате МРТ. На основе похожих на Джозефсоновы контакты строится кубит. Поэтому это далеко не микроскопическая структура, не квантовый размер. Это макроскопический контур из сверхпроводника, где один, два или три, в зависимости от конфигурации контакта. Их на плате довольно много и они взаимодействуют между собой.
Мы занимаемся одним из таких направлений — поиском новых материалов: квантовых, сверхпроводников, их комбинаций. Которые помогут сделать лучшие сверхпроводящие кубиты.
Есть ли какие-то успехи в высокотемпературном направлении?
Мой личный интерес вообще в объяснении высокотемпературной сверхпроводимости. Пока нет общепринятой теории, которая бы позволяла экспериментаторам идти к определенной цели, которая бы говорила, что надо делать, чтобы получить сверхпроводник, который бы обеспечивал эффект при большей температуре.
Можно сказать, что каждый раз сверхпроводники появляются случайно. После купратов в 2008 году появились сверхпроводники на основе железа, так называемые ферропниктиды. Неожиданно, потому что магнетизм, как в железе как правило разрушает сверхпроводимость.
Неожиданно в том плане, что с 1986 года был безумный оптимизм, и считалось, что сейчас все силы бросят на развитие сверхпроводимости, все все поймут и откроют дверь к проводнику при комнатной температуре. И хотя действительно был прогресс, однако проблемы оказались сложными, это так называемые сильнокоррелированные системы, где важна взаимосвязь между электронами. Традиционные сверхпроводники модели БКШ (Бардина-Купера-Шрифера), которой изначально объясняли сверхпроводимость, основана на простых идеях, что электроны между собой почти не взаимодействуют. Что кулоновское взаимодействие (отталкивание зарядов) определенным образом экранировано. Но существует небольшое с помощью фононов и обмена колебаниями решетки, когда один электрон колеблет кристаллическую решетку, второй электрон это чувствует, и таким образом они притягиваются. Впрочем она предусматривала невозможность высоких температур для сверхпроводников, максимум 25 К.
Как вообще достигают экстремально низких температур, кроме общеизвестного жидкого азота?
Жидкий азот используется как дешевый, простой способ снизить температуру в экспериментах. По сути, его охлаждают мощные холодильники, есть обычно несколько их типов и эффектов, с помощью которых можно получить снижение температуры. А газы, которые можно сжижать используются, чтобы не применять громоздкие установки вблизи чувствительного оборудования. Тогда нет лишних шумов, наводок и тому подобное.
Азот — это 77 К (-196,15℃), а первый удачный эксперимент начался с того, что Хайке Камерлингху Оннесу удалось скрапити жидкий гелий, а это 4,2 К (-268,95℃). Он начал туда «мокать» различные материалы, и обнаружил, что ртуть при сверхнизких температурах теряет электросопротивление.
Почему ртуть? Потому что считалось, что нужно именно чистый металл, а ртуть жидкая при нормальных условиях и ее легко очистить. Они же не сверхпроводимость искали, а узнавали что будет с чистым металлом при сверхнизких температурах. Будет ли падать сопротивление постепенно до нуля, или наоборот будет увеличиваться? А оказалось, что его значение снижается резко.
Возвращаясь к высокотемпературной сверхпроводимости, то теорий в целом много. Система сложная, потому что есть взаимодействие между электронами. Ее роль сложно просчитать. Большое количество теорий мешает прогрессу, потому что каждый просто отстаивает свое мнение. С одной стороны бум очень способствовал развитию экспериментальной отрасли и теоретических методов, с другой — создал вязкую среду, через которую очень сложно пройти новым идеям.
Я так понимаю, в статью ученых из Южной Кореи они примешали какую-то новую теорию, которая выглядит странновато. Как будто не просто случайно сделали открытие, а обосновали его. В худшем случае просто кто-то стремится отстоять свою теорию с помощью хайпа. Такое на самом деле случается довольно часто.
Теория БКШ основана на простых сверхпроводниках. Когда свойства электронов можно обозначить как «электроны в вакууме», их связь энергии с импульсом не отличается. Однако в кристаллах он существенно отличается и определяет свойства электронов, становясь очень сложным. И есть много сверхпроводников — двухзонных, многозонных. Где зависимость энергии от импульса очень сложная, и многие свойства материи определяются именно сложностью структуры. Например есть такое понятие как вихри Абрикосова (ученика Ландау). Он придумал, что могут быть сверхпроводники второго рода, куда магнитный поток заходит в виде вихрей, отдельных квантов магнитного потока. Потом и в самом деле оказалось, что существует такой эффект, и большинство известных сверхпроводников именно второго рода. Как вихри туда заходят и как закрепляются очень важно для практических применений, например для сверхпроводящих магнитов.Они проникают в сверхпроводник между первым и вторым критическими полями и в этом диапазоне функционируют все сверхпроводящие магниты. Оказывается что вихри можно разделить, и на этом найти интересные эффекты. Этим сейчас и занимаемся.
К сожалению не могу быть оптимистичным» :).
Мне кажется не обязательно быть оптимистичным, главное стремиться докапываться до истины.
Пока рано говорить о докапывании до истины. Надо подождать, но тогда уже спадет хайп. Я поражен энтузиазмом нашего старшего поколения. Того же Сергея Михайловича Рябченко, он всегда был реформатором, занимается магнитными свойствами. Он предложил тем корейцам написать и попросить образцы. На мой взгляд, это очень наивно, никто образцов не даст.
Впрочем, была новость, что они поделятся образцами с Университетом Вирджинии…
Что ж, буду только рад, если их исследование подтвердится.