Науково-популярний сегмент інтернету вже кілька тижнів гудить із приводу статті південнокорейських вчених про винахід матеріалу, що демонструє надпровідність за нормальних умов. Його швидко охрестили кандидатом на святий Ґрааль сучасної фізики.
Проте чимало вчених не поділяють оптимізму, звертаючи увагу на недоліки наукової статті та відсутність реальних доказів існування надпровідності в зразку LK-99 від незалежних дослідників. Скептично налаштований і академік НАНУ Олександр Анатолійович Кордюк, завідувач відділу надпровідності Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова та директор Київського академічного університету, з яким нам вдалося поспілкуватися щодо відкриття.
Одразу скажу, моє ставлення скептичне, оскільки ще не побачив жодного підтвердження. Дві статті, вірніше публікації на arXiv (сайт, де публікуються чорнові варіанти наукового дослідження, не рецензованого незалежними експертами), які я бачив, вони не проходять мій персональний поріг достовірності, щоб на це варто було звертати увагу і про це варто було думати. Тому що надпровідність — це саме моя спеціалізація, і я був би дуже радий, якби з’явився надпровідник, здатний функціонувати за кімнатної температури. Це мрія багатьох людей.
Моє перше враження — це приклад аномального діамагнетика. Піролітичний графіт левітує над неодимовими магнітами дуже схожим чином.
Мабуть, саме відео левітації привернуло найбільше уваги серед суспільства?
Я, до речі, відео не дивився, а на фото воно виглядає як піролітичний графіт. І це не новина. Щодо експериментальних даних, графік намагніченості і для надпровідника і для аномального діамагнетика виглядає майже так само.
Діамагнетизм — це коли магнітне поле всередині матеріалу виявляється меншим, ніж прикладене. Це означає, що матеріал не прозорий для магнітного поля, відповідно всі матеріали мають такий ефект. Уявімо модель атома: електрони, що обертаються навколо ядра, їхні орбіталі. Якщо прикласти магнітне поле, то ця орбіта на нього реагує, поле врешті зменшується. Це електродинамічний ефект, коли ви прикладаєте якийсь струм на якийсь контур, то потік через нього не змінюється. Аби він з часом змінився, треба виконати певну роботу.
Якщо це надпровідник, то цей потік не буде змінюватися, оскільки немає опору. Якщо це просто котушка, тоді з’являється струм, який протидіятиме цьому магнітному полю. Оскільки існує опір, то цей струм затухатиме і виникає електрорушійна сила. Це називається екранувальні струми, або струми Фуко. Загалом так працюють всі електродвигуни.
Його треба підживлювати, щоб рівень тримався?
Так, підживлювати. А коли це електрон на орбіті, то в нього втрат немає, і в нього є певна реакція на магнітне поле, щоб не пускати його умовно кажучи, всередину. Так створюється певний ефект діамагнетизму, але в деяких матеріалах він проявляється сильніше. Мідь вважається дуже непоганим діамагнетиком, вода — діамагнетик, мабуть, всі бачили досліди коли жаба левітує в магнітному полі? Мідь левітувати не буде, бо вона важка. Взагалі, найкращим діамагнетиком на мою думку є вісмут.
Подібні ситуації були навіть до відкриття високотемпературної надпровідності в купратах у 1986 році. Були роботи, Русінова здається, який знайшов у якомусь матеріалі аномальний діамагнетизм, і подав це як надпровідність, але його одразу затюкали.
Такі випадки регулярні, особливо коли у другій половині 80-х був бум високотемпературної надпровідності. Я за свого життя не бачив більшого сплеску активності у дослідженнях. Цим, таке враження займалися всі, навіть ті, хто не мав прямого відношення до фізики чи фізики твердого тіла
Це як з графеном та нанотрубками в середині 2000-х?
Ажіотаж навколо графену був разів у вісім меншим. Тоді дуже багато досліджень заявляли про надпровідність у нових матеріалах, але потім виявлялося, що це діамагнетизм такий, аномальний. Одним з прикладів є левітація піролітичного графіту. Коли я побачив, що можна зробити таку демонстрацію левітації, мене зацікавило.
Поступово з’явився клас дуже сильних магнітів — неодимові. Вони дають такий градієнт магнітного поля, щоб у ньому міг левітувати піролітичний графіт. І як я розумію, це поки єдиний приклад матеріалу, який може левітувати над шматком такого магніту. Навіть якщо дослідження південнокорейських вчених знайшли ще один такий матеріал, то це чудова новина.
То чим насправді є LK-99? Судячи зі статті — це свинець-апатит, модифікований шляхом заміни частки свинцю іонами міді?
Іони міді як раз забезпечують гарний діамагнітний відгук, мабуть, це одночасно дуже легкий матеріал, але на мою думку — його ще зарано обговорювати. Стаття трохи зарано набула розголосу, а ажіотаж відбувся, бо усі дуже давно чекають на надпровідник кімнатної температури. Це мрія дуже багатьох дослідників.
Досить непевно виглядають вимірювання опору, якщо бути точніше — вольт-амперних характеристик. Вони дивнуваті та надто різкі, щоб бути реальними. Коли дослідники транспортних властивостей бачать такі переходи — першим ділом перевіряють контакти. Бо їх «відвалювання» зі зміною температури майже традиція. Створення контактів, які не впливатимуть на результати — мистецтво.
В цьому випадку не бачу сенсу про це розмовляти, тому що з великою ймовірністю це не буде доказом високотемпературної надпровідності.
А що можна вважати експериментальним підтвердженням надпровідності за нормальних умов у схожому експерименті?
Це дуже просто — треба, щоб інші вчені це перевірили й підтвердили :). Зараз такі часи, що експериментатори не довіряють іншим експериментаторам, лише своїм дослідам. А от теоретики навпаки — якось занадто сильно довіряють експериментаторам.
Перевіряти треба, звісно — це цікавий матеріал, коли мені вперше кинули посилання на статтю в архіві — я переслав її людям, які можуть його синтезувати. Пообіцяли спробувати.
Щонайменше 16 команд у світі намагаються повторити дослідження, у декого вже не вдалося… А в Україні можливо проводити таке дослідження, чи є якісь проблеми, можливо занадто дорого?
Я не хімік, але думаю, що синтезувати не проблема. Володимир Карбівський здається взявся за це завдання, але я ще не питав про прогрес. Він експерт із дослідження апатитів.
А поміряти? Як тільки буде що міряти — ми це зробимо! Зрозуміло, якщо ми маємо такий матеріал, умовно, такого типу як апатит, то це не означає, що навіть якщо він надпровідник, то ми одразу там побачимо надпровідність. Потрібно добре вивчити транспортні характеристики, для цього потрібні гарні контакти. Крім контактів, треба, щоб зразок був такий, що він сам по собі проводить. Треба ще відокремити магнітний сигнал від надпровідного.
Чи проводяться в Україні дослідження надпровідності та чи є якісь вагомі досягнення за останній час?
В Україні, у нас (Київський академічний Університет) один з основних центрів щодо надпровідності. В Харкові також є Фізико-технічний інститут низьких температур (ФТІНТ), як раз його директор Юрій Найдюк і першим надіслав мені статтю.
Про найцікавіше — на мою думку це розвиток надпровідної електроніки. Найперспективніше — надпровідні квантові комп’ютери. Хоча здається, що до них зараз далеко, напрямок розвивають лише найбільші компанії, як-от IBM, Google, вони найбільше вкладають саме у розвиток надпровідних квантових комп’ютерів.
Тобто, коли говорять квантовий комп’ютер, мається на увазі надпровідний?
Ні, є багато різних реалізацій і на іонах певних, наприклад домішкових центрах, оптичні реалізації. В ЄС як раз більше підтримують концепцію оптичного квантового комп’ютера. Але загалом, в США та Китаї компанії більше сконцентровані на реалізації концепту надпровідності.
Це звичайно дуже дорогі проєкти, ЄС довелося зробити інший вибір, підтримувати розвиток і того й того складно.
З іншого боку, там є непереборна проблема декогеренції, тому що у квантовому комп’ютері мають бути кубіти, вони мають між собою бути переплутані (квантова когерентність), цього складно досягти для багатьох об’єктів. Для надпровідних кубітів, навіть при наднизьких температурах (20 мК) дуже швидко руйнується цей стан. Зв’язати більше ніж сотню, зараз більше сотні, IBM зазвичай рекорди ставить, можливо до 200 доходить. Але для того, щоб функціонував квантовий комп’ютер потрібно тисячі, десятки тисяч, залежно від того, як будуть реалізовані корекції похибок. Дехто вважає, що це непереборний бар’єр.
Моя особиста думка — це пов’язано з технологією алюмінієвих надпровідників. У них дуже низька критична температура, близько 2 K (-271,15 ℃) відповідно дуже вузька енергетична щілина. Вона визначає частоту, на якій працюють та взаємодіють кубіти, і пропорційна критичній температурі. Частота доволі маленька, мікрохвильовий діапазон, що якщо її підвищити, то покращиться стабільність.
Це можна якось обійти?
Вже є інші напівпровідники, зокрема купрати (на основі міді) мають на порядок більшу енергетичну щілину. Але технічно це дуже складно зробити, створити на цих надпровідниках контакт Джозефсона чи SQUID. Що це? Абревіатура від superconductive and quantum interference device. По суті це тунельний контакт з двох надпровідників, де спостерігається слабка надпровідність, він поводить себе особливим чином. Ця властивість дає змогу створювати дуже чутливі детектори магнітного поля.
Поки це найбільша практичне використання надпровідності. Застосовується в кожному апараті МРТ. На основі схожих до Джозефсонових контактів будується кубіт. Тому це далеко не мікроскопічна структура, не квантовий розмір. Це макроскопічний контур із надпровідника, де один, два чи три, залежно від конфігурації контакти. Їх на платі доволі багато і вони взаємодіють між собою.
Ми займаємося одним із таких напрямів — пошуком нових матеріалів: квантових, надпровідників, їх комбінацій. Які допоможуть зробити кращі надпровідні кубіти.
Чи є якісь успіхи у високотемпературному напрямі?
Мій особистий інтерес взагалі у поясненні високотемпературної надпровідності. Наразі немає загальноприйнятої теорії, яка б давала змогу експериментаторам йти до певної цілі, яка б говорила, що треба робити, щоб отримати надпровідник, який би забезпечував ефект при більшій температурі.
Можна сказати, що кожного разу надпровідники з‘являються випадково. Після купратів у 2008 році з’явилися надпровідники на основі заліза, так звані феропніктиди. Неочікувано, бо магнетизм, як у залізі як правило руйнує надпровідність.
Неочікувано в тому плані, що з 1986 року був шалений оптимізм, і вважалося, що зараз усі сили кинуть на розвиток надпровідності, всі все зрозуміють та відкриють двері до провідника за кімнатної температури. І хоча й справді був прогрес, проте проблеми виявилися складними, це так звані сильнокорельовані системи, де важливим є взаємозв’язок між електронами. Традиційні надпровідники моделі БКШ (Бардіна-Купера-Шрифера), якою відпочатку пояснювали надпровідність, заснована на простих ідеях, що електрони між собою майже не взаємодіють. Що кулонівська взаємодія (відштовхування зарядів) певним чином екранована. Але існує невелика за допомогою фононів та обміну коливаннями ґрадки, коли один електрон коливає кристалічну ґратку, другий електрон це відчуває, і таким чином вони притягуються. Втім вона передбачала неможливість високих температур для надпровідників, максимум 25 К.
Як взагалі досягають екстремально низьких температур, крім загальновідомого рідкого азоту?
Рідкий азот використовується як дешевий, простий спосіб знизити температуру в експериментах. Його охолоджують потужні холодильники, є декілька їх типів та ефектів, за допомогою яких можна отримати зниження температури. А гази, які можна зріджувати використовуються, щоб не застосовувати громіздкі установки поблизу чутливого обладнання. Тоді немає зайвих шумів, наводок тощо.
Азот — це 77 К (-196,15℃), а перший вдалий експеримент розпочався з того, що Хайке Камерлінгху Оннесу вдалося скрапити рідкий гелій, а це 4,2 К (-268,95℃). Він почав туди «мокати» різні матеріали, і виявив, що ртуть за наднизьких температур втрачає електроопір.
Чому ртуть? Бо вважалося, що потрібно саме чистий метал, а ртуть рідка за нормальних умов і її легко очистити. Вони ж не надпровідність шукали, а дізнавалися що буде з чистим металом за наднизьких температур. Чи падатиме опір поступово до нуля, чи навпаки збільшуватиметься? А виявилося, що його значення знижується різко.
Повертаючися до високотемпературної надпровідності, то теорій загалом багато. Система складна, бо є взаємодія між електронами. Її роль складно прорахувати. Велика кількість теорій заважає прогресу, бо кожен просто відстоює свою думку. З одного боку бум дуже сприяв розвитку експериментальної галузі й теоретичних методів, з іншого — створив в’язке середовище, через яке дуже складно пройти новим ідеям.
Я так розумію, в статті вчених із Південної Кореї вони домішали якусь нову теорію, яка трохи виглядає дивнувато. Наче не просто випадково зробили відкриття, а обгрунтували його. У найгіршому випадку просто хтось прагне відстояти свою теорію за допомогою хайпу. Таке насправді трапляється доволі часто.
Теорія БКШ заснована на простих надпровідниках. Коли властивості електронів можна позначити як «електрони у вакуумі», їхній зв’язок енергії з імпульсом не відрізняється. Проте в кристалах він суттєво відрізняється і визначає властивості електронів, стаючи дуже складною. І є багато надпровідників — двозонних, багатозонних. Де залежність енергії від імпульсу дуже складна, і багато властивостей матерії визначаються саме складністю структури. Наприклад є таке поняття як вихори Абрикосова (учня Ландау). Він придумав, що можуть бути надпровідники другого роду, куди магнітний потік заходить у вигляді вихорів, окремих квантів магнітного потоку. Потім і справді виявилося, що існує такий ефект, і більшість відомих надпровідників саме другого роду. Як вихори туди заходять та як закріплюються дуже важливо для практичних застосувань, наприклад для надпровідних магнітів. Вони проникають у надпровідник між першим і другим критичними полями й у цьому діапазоні функціонують всі надпровідні магніти. Виявляється що вихори можна розділити, й на цьому знайти цікаві ефекти. Цим зараз і займаємося.
На жаль не можу бути оптимістичним» :).
Мені здається не обов’язково бути оптимістичним, головне прагнути докопуватися до істини.
Поки рано говорити про докопування до істини. Треба почекати, але тоді вже спаде хайп. Я вражений ентузіазмом нашого старшого покоління. Того ж Сергія Михайловича Рябченко, він завжди був реформатором, займається магнітними властивостями. Він запропонував тим корейцям написати й попросити зразки. На мою думку, це дуже наївно, ніхто зразків не дасть.
Втім, була новина, що вони поділяться зразками з Університетом Вірджинії…
Що ж, буду тільки радий, якщо їхнє дослідження підтвердиться.
