Awantura o nadprzewodnik

Gdyby doniesienia dość tajemniczego koreańskiego zespołu kierowanego przez Sukbae Lee, naukowca niegdyś związanego z dwiema uczelniami – Korea University i Dongguk University – a obecnie szefa małej firmy technologicznej, okazały się prawdą, Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki dla autorów byłaby właściwie formalnością. Jednak stwierdzenie, że dwa artykuły udostępnione w serwisie arXiv.org zostały w środowisku przyjęte ze sceptycyzmem, byłoby dużym niedopowiedzeniem. Inni naukowcy byliby zapewne nieco mniej ostrożni, gdyby Koreańczycy ogłosili odkrycie Świętego Graala! Bo dokonanie, które przypisują sobie Sukbae Lee i współpracownicy, to nie tylko bomba rzucona w świat nauki. Ma też potencjał, by wywrócić pół naszej cywilizacji do góry nogami.

Receptura jak od babci

Przepis jest pozornie prostszy niż większość receptur z babcinej książki kucharskiej. Bierzemy tlenek ołowiu oraz siarczan ołowiu i mieszamy je tak, by powstał jasnozielony lanarkit. W drugim naczyniu mieszamy miedź i fosfor, tworząc fosforek miedzi. Oba półprodukty wkładamy do moździerza, solidnie mieszamy w stosunku 1:1, a następnie wkładamy do piekarnika w rurce kwarcowej. Po podgrzaniu do temperatury 925 stopni Celsjusza powstanie ciemny materiał znany pod chemicznym wzorem Pb10-xCux(PO4)6O lub pod nieco łatwiejszą do zapamiętania nazwą LK-99.

To ta nierzucająca się w oczy bryłka postawiła świat fizyki w gotowości. Laboratoria na całym świecie od tygodni starają się wytwarzać LK-99 i badać jego właściwości. Opracowany w Korei materiał ma bowiem być czymś, czego fizyka szuka od przeszło stulecia: działającym w pokojowej temperaturze i przy „zwyczajnym” ciśnieniu nadprzewodnikiem.

W temperaturach, które większość z nas uważałaby za „normalne”, niemal wszystkie materiały wykazują opór elektryczny. Istotna część energii przechodząca przez nie jest tracona, np. w postaci ciepła, o czym przekonać się może każdy, kto przez kilka godzin pracuje z laptopem na kolanach. Już sto lat temu ustalono jednak, że pewne materiały w ekstremalnych warunkach zachowują się ekstremalnie dziwnie.

8 kwietnia 1911 r. holenderski fizyk (i późniejszy noblista) Heike Kamerlingh Onnes zaobserwował, że gdy przewód wykonany z zestalonej rtęci zostanie schłodzony niemal do zera absolutnego (konkretnie do 4,16 kelwinów), opór elektryczny w materiale niemal całkowicie znika. Natura tego zjawiska pozostawała tajemnicą aż do 1957 r., kiedy trzech fizyków z Uniwersytetu Illinois: John Bardeen, Leon N. Cooper i J. Robert Schrieffer, zaproponowało tłumaczącą nadprzewodnictwo teorię. Ujemnie naładowane elektrony, które normalnie się odpychają, poniżej pewnego progu temperatury pod wpływem wibracji tworzą pary, które mogą poruszać się przez materiał bez oporu. Za swoje odkrycie w 1972 r. dostali Nobla. W 1987 r. kolejnego otrzymali J. Georg Bednorz i K. Alexander Müller za odkrycie nadprzewodzących właściwości ceramicznych materiałów z tlenków miedzi, które działały „już” w minus 238 stopniach Celsjusza (35 kelwinów).

Fakt, że badania nad nadprzewodnictwem są jak lep na Noble, nie powinien dziwić. Nadprzewodniki mają potencjał, by zrewolucjonizować niemal każdą technologię opartą na elektryczności i polach magnetycznych.

Wizja przyszłości

Nadprzewodzące kable pozwoliłyby przesyłać elektryczność na wielkie odległości bez strat. Dziś w drodze z elektrowni do gniazdka tracimy do 20 proc. energii. Bezstratne linie energetyczne mogłyby umożliwić np. zasilenie Europy energią produkowaną przez elektrownie słoneczne zlokalizowane na Saharze.

Materiały przesyłające energię bezstratnie pozwoliłyby stworzyć nową generację ultrawydajnych tradycyjnych ­mikroprocesorów – do dziś jednym z największych wyzwań w ich projektowaniu jest rozwiązanie problemu wytwarzanego przez nie ciepła. Mogłyby też stać się ­idealnymi bateriami – wystarczy „­wstrzyknąć” prąd do nadprzewodzącej cewki i utrzymywać go tam, aż będzie potrzebny. Fakt, że takie materiały nie generują ciepła, sprawia także, iż są idealną podstawą do budowy komputerów kwantowych, których procesy obliczeniowe rozsypują się, gdy urządzenie się grzeje.

Nadprzewodniki pozwalają wreszcie tanio i łatwo generować potężne pola magnetyczne. A to może pozwolić na budowę lewitujących pociągów, nowego typu reaktorów fuzyjnych czy małych i tanich skanerów MRI stosowanych w medycynie.

Znane i stosowane dziś nadprzewodniki do większości z tych zastosowań się nie nadają. Powód jest prosty. Przejawiają „cudowne” właściwości dopiero w ekstremalnych temperaturach i ciśnieniach. Stworzenie im takich warunków jest drogie i często bardzo trudne.

Przykładowo w 2014 r. niemieckie Essen zainstalowało w centrum miasta nadprzewodzącą linię energetyczną, która łączyła dwie stacje transformatorowe. Wykorzystany do stworzenia linii nadprzewodnik był stosunkowo odporny na wysokie temperatury – działał „już” w temperaturze minus 206 stopni Celsjusza. Oczywiście cała linia musiała być stale schładzana i izolowana. W tym przypadku było to wykonalne – kabel miał kilometr długości – ale stworzenie na podstawie podobnego materiału sieci energetycznej oplatającej cały kraj czy kontynent byłoby niemal niemożliwe.

Dlatego twierdzenia o nadprzewodzących właściwościach LK-99 są tak elektryzujące. Do tej pory za „wysokotemperaturowe” uchodziły wszystkie materiały, które własności nadprzewodnictwa wykazywały w temperaturach przekraczających minus 196 stopni Celsjusza. Nadprzewodnik o najwyższej znanej dotąd tolerancji na temperatury, dekawodorek lantanu, przewodzi prąd bez strat w temperaturze minus 23 stopni Celsjusza, wymaga jednak ciśnienia półtora miliona razy większego niż ciśnienie atmosferyczne.

Warto być podejrzliwym

Tymczasem LK-99 według jego odkrywców nie tylko działa przy normalnych ciśnieniach, ale jego właściwości nie zanikają nawet w temperaturze 127 stopni Celsjusza. Równie dobrze przewodziłby więc prąd w garnku z gotującą się wodą.

Nadzwyczajne odkrycia wymagają jednak silnych dowodów. A poszukiwania nadprzewodników już wielokrotnie kończyły się głębokimi rozczarowaniami – a czasem skandalami.

Tylko w XXI w. odkrycie materiałów wykazujących właściwości nadprzewodzące w temperaturze pokojowej (lub do niej zbliżonej) ogłaszano kilkanaście razy. Żadnego z tych „odkryć” nie udało się jednak potwierdzić niezależnym zespołom naukowym.

Echa ostatniego „odkrycia” i towarzyszącego mu skandalu jeszcze nie ucichły. 8 marca tego roku Ranga Dias, profesor fizyki z amerykańskiego Uniwersytetu Rochester, ogłosił na łamach „Nature” odkrycie materiału, który nadprzewodnictwo wykazuje w temperaturze 20 stopni Celsjusza (choć przy ciśnieniu sięgającym miliona atmosfer).

Tyle że Dias wśród kolegów zapracował sobie już wcześniej na reputację ocierającą się o szarlatanerię. Z jednej strony, badacz w 2021 r. trafił na tworzoną przez magazyn „Time” listę „100 Next”, typującą przyszłych liderów świata. Z drugiej – ma na koncie wyjątkowo imponującą listę „osiągnięć”, których nikomu nie udało się potwierdzić. I ewidentnie ma smykałkę do odkrywania nadprzewodników.

„Tysiące badaczy szukało od 112 lat nadprzewodników działających w temperaturze pokojowej i nie znalazło żadnych” – mówił magazynowi „Undark” Jorge Hirsch z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. „Ranga Dias w ostatnich latach ogłosił odkrycie czterech różnych takich materiałów w ciągu zaledwie ostatnich kilku lat”.

Jedna z prac Diasa dotyczących potencjalnego nadprzewodnika, opublikowana w 2020 r. w „Nature”, została w ubiegłym roku oficjalnie wycofana przez magazyn ze względu na „wątpliwości związane z opracowaniem danych” – to największy dyshonor, jaki może spotkać autora artykułu naukowego. A reputacja naukowca ucierpiała dodatkowo po tym, jak został oskarżony o splagiatowanie znacznej części rozprawy doktorskiej.

„Nie trzeba nawet mocno wczytywać się w najnowszy artykuł. Po pięciu minutach lektury i zastanowienia miałem poważne wątpliwości. Nie rozumiem, jak możemy ufać czemukolwiek autorstwa Diasa” – pisał Peter Armitage, fizyk z Johns Hopkins University, po przejrzeniu tekstu Diasa.

Co lewituje

Nikt nie stawia takich zarzutów pod adresem Koreańczyków. Ale inni badacze zachowują daleko idącą ostrożność. Nie tylko dlatego, że wcześniej sparzyli się wielokrotnie.

Prace koreańskich zespołów to tzw. preprinty, czyli wstępne wersje artykułów udostępnione przed oficjalną publikacją w czasopiśmie naukowym. Nie przeszły jeszcze procesu recenzji – oceny ze strony niezależnych ekspertów, wymaganej przez wszystkie czasopisma naukowe. To samo w sobie normalne: wiele artykułów naukowych, zwłaszcza w dziedzinie fizyki czy matematyki, ale coraz częściej także w biologii czy psychologii, jest upublicznianych na wiele tygodni czy miesięcy przed formalną publikacją. W tym przypadku wydaje się, że upublicznieniu wyników badań mógł towarzyszyć konflikt w zespole. Według doniesień „New Scientist” współ­autor jednego z udostępnionych preprintów – Hyun-Tak Kim – utrzymuje, że na arXiv.org trafiła wersja tekstu, której z nim nie konsultowano.

Kontrowersje budzą stwierdzenia autorów, że udało im się potwierdzić nadprzewodnictwo materiału. Co prawda w swoich badaniach pokazują, że ­LK-99 przejawia niektóre zachowania, jakie cechują nadprzewodniki – tzw. efekt Meissnera (polegający na „wypchnięciu” pola magnetycznego z nadprzewodnika) czy nagłe zmiany oporu w krytycznej temperaturze, ale sami naukowcy przyznają, że testowane próbki nie były czyste, a niektóre z testów nie wyszły idealnie. Materiał wykazujący efekt Meissnera powinien lewitować i swobodnie obracać się ponad magnesem. Na filmie przedstawionym przez autorów jedna połowa dysku wykonanego z LK-99 unosi się, ale druga pozostaje na miejscu.

Pierwsze próby powtórzenia wyników opisanych przez zespół Sukbae Lee były dość zachęcające. Grupy badawcze z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Huazhong w Chinach, Laboratorium Materiałoznawstwa Shenyang i Laboratorium Narodowego Lawrence Berkeley w USA przedstawiły wstępne wnioski z własnych prac z LK-99. Nie potwierdzają one twierdzeń Koreańczyków, ale wskazują, że materiał wykazuje pewne własności pojawiające się w nadprzewodnikach. Skonstruowano także modele teoretyczne, które mogą tłumaczyć, dlaczego akurat w takim materiale jak LK-99 może dochodzić do zjawiska nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej. A do sieci trafiają nagrania, na których cały płatek LK-99 swobodnie unosi się nad magnesem. Niestety, nie jest jasne, czy to prawdziwy efekt Meissnera, czy tzw. zjawisko diamagnetyczne, które jedynie na oko wygląda podobnie, ale różni się diametralnie z perspektywy fizyki i nie jest charakterystyczną cechą nadprzewodników. Jedna z nowszych analiz LK-99 wskazuje właśnie na diamagnetyzm.

Na potwierdzenie nadprzewodnictwa w LK-99 musimy więc jeszcze poczekać. Ten materiał może okazać się kolejnym wielkim zawodem. Może być też zwyczajnie ciekawym odkryciem – nawet jeśli nie wszystkie jego rewolucyjne właściwości utrzymają się po niezależnej weryfikacji, być może otworzy jakiś nowy obszar badań w fizyce czy materiałoznawstwie. A jeśli okaże się upragnionym nadprzewodnikiem działającym w temperaturze pokojowej, to i tak nie znaczy jeszcze, że jutro czy za rok obudzimy się w świecie magnetycznych kolei i elektrowni fuzyjnych.

Pęcherze na dłoniach

– Rozwój technologii nadprzewodników bardzo pomógłby w pracach nad energetyką fuzyjną i będziemy śledzić rozwój sytuacji – mówi „Tygodnikowi” dr Martin Greenwald, były zastępca dyrektora Centrum Badań nad Plazmą i Fuzją Massachusetts Institute of Technology.

To właśnie tam powstaje reaktor nowej generacji, SPARC, dzięki któremu elektrownia fuzyjna, wytwarzająca energię podobnie jak robią to gwiazdy – czyli dzięki syntezie cięższych pierwiastków z lżejszych (a nie w procesie rozpadu ciężkich pierwiastków na lżejsze, jak działające od dawna elektrownie atomowe) – ma stać się rzeczywistością jeszcze w tej dekadzie.

– Aby nadprzewodnik był użyteczny w reaktorze fuzyjnym, musi być w stanie przewodzić silny prąd elektryczny. Sam fakt, że jakiś materiał wykazuje nadprzewodnictwo przy niskich gęstościach prądu, nie wystarcza – dodaje dr Greenwald.

Tymczasem właśnie to może być piętą achillesową nowego materiału. Dane przedstawione przez koreański zespół sugerują, że ich materiał nie jest w stanie przewodzić dużych ilości elektronów w wysokich temperaturach. To może jednak wynikać z niedoskonałości próbek testowanych w Seulu – można sobie wyobrazić, że nowe technologie produkcji materiału doprowadzą do stworzenia czystszych i bardziej użytecznych generacji nadprzewodnika. To może jednak zająć wiele lat.

– Dla potrzeb energii fuzyjnej nadprzewodnik musi być produkowany w dużych ilościach i przystępnej cenie. W przypadku nadprzewodnika YBCO wykorzystywanego przez nas w reaktorze SPARC [wymaga bardzo niskich temperatur – red.], potrzeba było 30 lat prac badawczych, aby materiał laboratoryjny osiągnął przemysłową dojrzałość – podkreśla dr Greenwald.

A do przemysłowej produkcji LK-99 bardzo daleko. Na razie materiał powstaje dzięki ręcznej pracy badaczy, mielących składniki po nocach.

„Ludzie wydają się dziwnie podekscytowani tym, jak »łatwy« jest czterodniowy, wieloetapowy proces syntezy małych próbek. Widać, że nie mieliście nigdy pęcherzy od pracy z moździerzem” – pisała w mediach społecznościowych Jennifer Fowlie, fizyczka z SLAC National Accelerator Laboratory.

Czasami nawet najbardziej futurystyczne odkrycia i wynalazki wymagają bowiem instrumentów rodem z babcinej kuchni. ©