Научный детектив про LK-99, или как сварить сверхпроводник в кастрюле на кухне

Когда несколько недель назад корейцы сделали сенсационное заявление о новом чудо-материале – ученые по всему миру наперегонки ринулись его проверять. И знаете, кто победил в этой гонке? Анимешница из Твиттера, которая буквально за сутки синтезировала эту вундервафлю прямо у себя на кухне, используя обычный советский... (извините, но всё так!)

Если вы пропустили весь хайп начала августа про «новый сверхпроводник от корейских ученых» – то устраивайтесь поудобнее, сейчас мы вам всё объясним. Накал эпичности этой истории местами просто зашкаливает, но сначала придется немного погрузиться в предысторию вопроса.

Эта статья написана в соавторстве с Михаилом Коробко – квантовым физиком из Университета Гамбурга. Как обычно в таких случаях, Миша здесь отвечает за научную канву повествования, а я – за кринжовые мемы. Поехали!

Чем так интересна сверхпроводимость при комнатной температуре? И что вообще такого «сверх» в сверхпроводниках? Давайте разбираться по порядку.

Когда мы пускаем электричество по обычным проводам, мы всегда теряем немного энергии. Эти потери возникают из-за наличия «сопротивления» в проводнике: он, буквально, сопротивляется нашим попыткам пропихнуть через него электрический ток.

Сопротивление возникает из-за физической структуры проводника. Возьмем, к примеру, металлический проводник: под действием напряжения, приложенного к металлу, в нем начинают двигаться свободные электроны – это мы и называем «электрическим током». В процессе движения электроны «отвлекаются» на сами атомы металла и взаимодействуют с ними, что как бы «тормозит» движение электронов. В результате, энергия движения электронов переходит в колебания атомов металлического проводника – иными словами, проводник нагревается.

Этот процесс лежит, например, в основе лампочек накаливания: вольфрамовая нить в них обладает большим сопротивлением и сильно нагревается при прохождении через нее тока, излучая яркий свет.

А вот было бы неплохо не терять лишнюю энергию на этом вашем сопротивлении там, где нам этого не хочется, да? Ну окей, в лампочке, как мы поняли, сопротивление как раз в тему. Но в остальном... Вот буквально несколько примеров научно-технических ништяков, которые могли бы прийти в нашу жизнь, если бы ученые придумали новый вундервафельный материал совсем без сопротивления (то есть, обладающий сверхпроводимостью):

В начале XX века ученые обнаружили, что сопротивление некоторых материалов (например, свинца и олова) падает до нуля при очень низких температурах (в районе 3 градусов выше абсолютного нуля: то есть, при –270 градусах Цельсия). Вот такие материалы и назвали сверхпроводниками.

Со временем стали обнаруживать всё больше разных материалов , которые показывали свойства сверхпроводимости – но все они работали при адовых криогенных температурах (ниже температуры жидкого азота, около –196 градусов Цельсия). Только в конце 80-х нашли класс материалов, которые обладают высокотемпературной сверхпроводимостью (ну как, «высоко» – чуть повыше температуры этого самого жидкого азота).

Казалось бы: какие проблемы, давайте просто охлаждать провода с помощью жидкого азота – он дешевый и простой в обращении! Но, к сожалению, практически все высокотемпературные сверхпроводники абсолютно бесполезны в технологическом плане: они хрупкие, плохо поддаются обработке, из них трудно делать всякие сложные формы. Поэтому, несмотря на открытие сверхпроводимости уже более ста лет назад, мы практически не находим ей применения.

Ну окей, несколько совсем нишевых применений такие «капризные» сверхпроводники всё же нашли: из них делают сверхпроводящие магниты в машинах МРТ и во всяких научных установках типа Большого Адронного Коллайдера, а также в квантовых компьютерах (где сверхпроводящие элементы используются в качестве кубитов). Но в целом – революция, которую нам обещали сверхпроводники, еще не свершилась. На практике для нее нам нужно выполнение двух условий: сверхпроводимость при обычной комнатной температуре, и практичность создания и использования таких сверхпроводников.

В последние годы как раз появилось несколько сверхпроводников при температурах, близких к комнатной (в районе –20 градусов Цельсия)... Но такие материалы становятся сверхпроводниками только при безумно огромном давлении, создаваемом между специальными алмазными (!) наковальнями. В общем, опять же – далеко от практического применения.

Так что, можно сказать, что сверхпроводимость при комнатной температуре и нормальном давлении является настоящим святым Граалем для всей области сверхпроводимости – вот уже 50 лет с момента открытия высокотемпературной сверхпроводимости ученые бьются над созданием такого материала.

Любопытно, что принципиально никаких физических ограничений на существование таких сверхпроводников, кажется, нет. Вот только у нас пока нет полной теории сверхпроводимости, чтобы мы могли их «придумать» исходя из теоретических соображений.

Первые теории сверхпроводимости возникли только спустя сорок лет после открытия самого эффекта – в начале 50-х. Наиболее популярная среди ученых теория, которая используется до сих пор, называется БКШ (теория Бардина–Купера–Шриффера) – она описывает сверхпроводимость на квантовом уровне.

В этой теории предполагается, что электроны в сверхпроводящих материалах объединяются в так называемые куперовские пары (речь здесь идет про pairs, не про вейпинг), которые все вместе находятся в едином квантовом состоянии. В этом состоянии они никак не взаимодействуют с атомами проводника, и потому не испытывают его сопротивления.

Теория БКШ неплохо описывает основные процессы сверхпроводимости, но всё же не является полной: ведь она не может предсказать конкретные свойства сверхпроводника и, тем более, не позволяет изобрести материал с нужными свойствами на ее основании. Но самый главный фейл этой теории в том, что она неспособна предсказать высокотемпературную сверхпроводимость – точнее, она ее прямо запрещает! В настоящее время есть несколько теорий, которые пытаются заменить БКШ – но пока ни одна из них не может полноценно объяснить сверхпроводимость для произвольного материала: разные теории работают лучше для одних материалов, но хуже для других.

В таких условиях ученым приходится искать новые материалы практически вслепую, методом так называемого «научного тыка». Периодически кто-нибудь выбрасывает в интернет новое громкое заявление о долгожданном обнаружении комнатнотемпературного сверхпроводника (вот лишь несколько примеров: раз, два, три, четыре, пять), но на них уже обычно никто даже особо не обращает внимание: ведь они почти всегда оказываются либо невоспроизводимы независимыми учеными, либо вообще даже не удостаиваются публикации в научных журналах.

Не так давно разыгралась большая драма с отзывом статьи из престижного журнала Nature про очередной сверхпроводник при комнатной температуре – оказалось, что данные там просто тупо сфабрикованы. Ну, там сам ученый по имени Ранга Диас, надо признать – персонаж весьма специфический, и уже ставший знаменитым благодаря своим «умелым» фейками...

Короче, мы уже вплотную подходим к, собственно, истории сверхпроводникового сверххайпа последних недель: в конце июля на сайте arXiv появились два препринта от корейских ученых, один из которых носил «скромное» название The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor. Надо сразу сделать оговорку, что arXiv не является рецензируемым научным журналом – там есть определенная модерация, но она работает скорее «по внешним признакам» и отсекает только уж совсем очевидную псевдонауку и буллщит.

Сказать, что весь Твиттер бомбанул от этой новости – значит, ничего не сказать. Как мы писали выше, обычно сверхпроводимость не вызывает какого-то особенного интереса общественности; что же конкретно привлекло десятки тысяч людей в соцсетях на этот раз — сказать сложно. Возможно, дело в видео-демонстрации с доказательством левитации у полученного образца LK-99 (именно так корейцы назвали свое открытие), сопровождавшей эти два препринта; а может, в том, что на первый взгляд в этих двух бумагах не было явной лажи, и серьезные ученые отреагировали на них в стиле «хм-м-м, любопытно, ну давайте разбираться!».

Чем интересно это видео, и причем тут вообще левитация? Дело в том, что помимо нулевого сопротивления, сверхпроводники также обладают интересным свойством: они левитируют в магнитном поле – так называемый эффект Мейснера. (Вдаваться глубоко в детали физического процесса мы здесь не будем, если вам интересно – можете глянуть вот эту недавнюю статью на Хабре.)

Именно эта левитация была продемонстрирована в оригинальном видео, и ее же постили разные команды ученых и любителей в следующие дни. Посыл часто был такой (особенно в интерпретации неспециалистов): раз левитирует – значит, сверхпроводник! Но, строго говоря, это не обязательно так. Магнитная левитация возможна и для других материалов, и даже для живых существ: уважаемый ученый Андре Гейм в свое время получил не только Нобелевскую премию за открытие графена, но также и чуть менее престижную Шнобелевскую премию за опыты по левитации живой лягушки.

Такой эффект диамагнетизма очень похож на эффект Мейснера, хоть и требует гораздо более сильных магнитных полей. Тем не менее, левитация — наиболее простой первый признак возможной сверхпроводимости; и, фактически, единственный доступный для проверки без специализированного оборудования. Другие подтверждающие замеры (скажем, напрямую интересующего нас нулевого сопротивления) требуют большой точности и специальной методологии. А левитация, к тому же, еще и выглядит круто!

В общем, весь мир где-то на этом моменте затаил дыхание: появятся ли независимые подтверждения эффекта Мейснера — или всё, как и в прошлые разы, остановится на этапе слишком громких и слишком поспешных заявлений от корейской команды ученых? Именно здесь на сцену и выходит героиня нашей истории...

Пока обыватели в Твиттере рассуждали о том, сколько недель (или месяцев) потребуется ведущим лабораториям мира для репликации LK-99 и подтверждения его сверхпроводимости, малоизвестный аккаунт @iris_IGB с анимешной девочкой на аватарке решил взять инициативу в свои руки. Если подытожить самую суть щитпостинга от Iris, то он сводился примерно к следующему: «Вы все тупые и не лечитесь; а если бы вы хоть немного понимали физику и химию на уровне продвинутого советского школьника – то смогли бы без труда синтезировать нужное вещество самостоятельно!» (я немного утрирую – но, если честно, не слишком уж сильно).

Самый эпичный завирусившийся тред от Iris буквально начинается со слов «у моей девушки сегодня чистка ковров, и мы не сможем вместе посмотреть Кин-дза-дзу... так что, пришло время сверхпроводников комнатной температуры!» Далее следует крайне неформальное описание теоретических выкладок по теории сверхпроводимости, а вслед за ними – пошаговый процесс получения аналога LK-99 с фотками меньше чем за сутки.

Эпичности всему произошедшему добавили сразу несколько вещей:

Дальше всё развивалось ровно так, как и принято в интернете: Александре начали предъявлять за стремное качество фото и за нежелание записать видео – та в ответ огрызалась в стиле «а вы откройте любой советский учебник, по нему синтезируйте такую же штуку – и снимайте свой собственный фансервис в каком пожелаете формате!!»

Регулярные референсы к СССР в твитах Iris здесь не случайны: она сама твердо стоит на позиции о том, что советская научная школа просто кроет, не вставая с дивана, всё остальное, что творится в научных лабораториях по всему миру. И вся эта заваруха с LK-99, дескать, идеальная тому иллюстрация!

Ведь Ли и Ким (авторы LK-99 – собственно, именно их имена легли в название материала) в 1990-е работали с корейским профессором Tong-Seek Chair (Choi?), который еще раньше работал совместно с профессором Галашевичем в Польше, – а тот, в свою очередь, был учеником советского ученого Николая Боголюбова, который в 1950-е создал свою собственную теорию сверхпроводимости. В научном мейнстриме эта теория не сильно прижилась, проиграв битву за умы этой самой популярной сейчас теории Бардина–Купера–Шриффера, но... Возможно, что-то в ней всё-таки было? По крайней мере, кажется, именно так считает сама Александра Iris.

Сразу после @iris_IGB начали потихоньку приходить другие независимые проверки. Где-то образцы левитировали, где-то – нет; но каждое новое видео и фотография встречались очередной волной восторга. На них реагировали серьезные ученые, пытаясь объяснить, что эти наблюдения пока ничего не доказывают – такие реакции тоже вирусились, и публика снова разочаровывалась.

Болтание между восторгом и разочарованием привело к тому, что за историей стали следить далеко за научными кругами – как за крутым сериалом, запасшись попкорном. Добавляло масла в огонь и то, что сами оригинальные препринты вышли с драмой: соавторы обвиняли друг друга в нарушении научной этики – говорили, что статьи выложены без разрешения соавторов, втихую. При этом сами препринты содержали видимые ошибки в графиках и множество неточностей, что несколько затрудняло процесс репликации (поди разбери – у тебя получилось ровно то, что надо, или какой-то иной материал?).

В скором времени, камушки «летали» уже в нескольких лабораториях, и на все проблемы препринтов всем стало окончательно плевать. Спустя неделю вышли теоретические статьи с численными расчетами структуры материала, которая оказалась близкой к ожидаемой от сверхпроводника. Хотя множество других материалов могли обладать такой структурой, новый всплеск хайпа было уже не остановить: не только камни летали, но уже и «теория всё доказала»!!

Но дальше всё пошло немножко под откос: на прошлой неделе стали появляться более серьезные исследования нового материала, и пока ни одно из них не показывает желанных свойств сверхпроводника. Да, он летает в магнитном поле – но просто как обычный ферромагнит. Если в более ранних статьях можно было говорить о том, что материал был «не тот», «не так его синтезировали» – то здесь структура уже подтверждена с точностью.

В одном совсем свежем исследовании ученые сделали чистый LK-99 без всяких примесей – и он оказался не только не сверхпроводником, а и вовсе отличным изолятором! А все свойства, которые заставляли его быть похожим на сверхпроводник, были на самом деле из-за примесей сернистой меди, попадавших в процессе производства (почему эти примеси дают такой эффект, объясняется в отдельной статье).

В общем, пока из множества попыток воспроизвести наблюдения ни одна не показала сверхпроводимости. Возникает ощущение, что на этом открытие можно закрывать – на текущий момент складывается консенсус, что сверхпроводимостью в LK-99 и не пахнет. Конечно, можно дождаться еще независимых проверок, публикации результатов в рецензируемых статьях и прочего – но поводов для оптимизма всё же не так много...

Впрочем, сама Александра Iris, кажется, не теряет оптимизма: она продолжает твитить рассуждения о ходе своих мыслей по поводу LK-99, а также троллит своих критиков с помощью отповедей, стилизованных под визуальные аниме-новеллы. Если я правильно понимаю, она считает, что сам по себе LK-99 не является сверхпроводником; однако при этом говорит, что эффект Мейснера в синтезированной ей крупинке она наблюдала своими глазами и... не знаю, тут я уже запутался, какие конкретно из этого надо сделать выводы – но лично я не исключаю, что эдак через полгода мы увидим новую интересную научную статью от некоего московского исследовательского института.

В конце концов, на опубликованном Александрой селфи что-то такое и происходит – увлеченные люди пилят в лаборатории какую-то вундервафлю...

Если эта статья соберет много лайков, мы с Михаилом Коробко постараемся сделать к ней follow-up с комментариями от самой Александры Iris, а также с мнением какого-нибудь физика-спеца непосредственно в области сверхпроводимости. Если не хотите пропустить следующие материалы по теме – то приглашаем вас подписаться на ТГ-каналы авторов: Гомеостатическая Вселенная Михаила Коробко (для тех, кто хочет шарить за физику и науку) и RationalAnswer Павла Комаровского (для тех, кто за рациональный подход к жизни, но предпочитает чуть попроще).