Высокотемпературный скандал: действительно ли открыта комнатная сверхпроводимость
В конце июля 2018 года двое индийских ученых заявили о получении сверхпроводимости при комнатной температуре. Это открытие уровня Нобелевской премии, оно решает столетнюю проблему и способно потрясти основы энергетики, но пока вызвало только шквал эмоций ученых в соцсетях. Forbes разобрался, почему ученые не торопятся признать потенциально самое великое исследование столетия.
Драгоценный металл
Дев Кумар Тапа и Аншу Пандей из Индийского института наук в Бангалоре (IISc) 23 июля опубликовали в архиве научных работ arXiv статью, в которой утверждали, что материал из золота и серебра перешел в сверхпроводящее состояние при –37°С и нормальном давлении.
Столь громким заявлением сразу заинтересовались ученые и наперегонки начали пытаться повторить результат. Вскоре, однако, обнаружилось, что в препринте не хватает деталей — как именно сделать серебряно-золотой сверхпроводящий сплав. Тапа и Пандей отказались делиться своим образцом и комментировать детали его состава. Новостной команде Nature они объяснили, что не могут вдаваться в детали, пока их статья не пройдет редактирование в журнале. Пандей заявил, что их результаты подтвердили независимые эксперты и их заключения будут опубликованы так скоро, как только это возможно.
Зачем нужна комнатная сверхпроводимость
В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес впервые обнаружил, что при понижении температуры ртути до –270°С ее сопротивление резко падает в 10 000 раз. Открытие сверхпроводимости имело фундаментальное значение в физике конденсированных сред, и при этом могло оказать революционное влияние на экономику. Например, потери на нагрев проводов в линиях электропередач приводит к потере 5–15% энергии при ее передаче от производителей к потребителям. Нагрев зависит от электрического сопротивления материалов: если его уменьшить в тысячи раз, то и потерь можно будет избежать. Однако достижение столь низкой температуры требовало столь дорогой инфраструктуры, что ученые принялись искать материалы, требующие менее глубокого охлаждения.
За последние 100 лет ученым удалось найти вещества, которые теряют сопротивление при более высоких температурах. Фундаментальный прорыв произошел в 1986 году, когда сотрудники IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц обнаружили материал, становящийся сверхпроводником при температуре на целых 35 градусов выше абсолютного нуля. Авторы открытия получили Нобелевскую премию, а теоретики засели за разработку теории принципиально нового явления — высокотемпературной сверхпроводимости. Эта работа до сих пор не закончена, а потому высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) у новых материалов обнаруживается по-прежнему едва ли не наугад. Ученые отмечают, что известные физические законы не ограничивают максимальную температуру для сверхпроводников, поэтому они продолжают свои поиски.
Сейчас существуют материалы, достигающие ВТСП при температуре жидкого азота (–196°С). Жидкий азот обходится существенно дешевле жидкого гелия, применявшегося Камерлинг-Оннесом, однако его применение все равно требует особого оборудования. ВТСП уже позволила в специальных случаях применять сверхпроводимые вещества для передачи энергии, удешевила сверхчувствительные сенсоры, позволила создать поезда-«маглевы», разгоняющиеся до 400-600 км/ч благодаря тому, что они не касаются рельс (сверхпроводящие материалы выталкиваются магнитным полем). Но повсеместное применение сверхпроводников будет возможно, если для их получения не придется создавать специальную инфраструктуру.
«Не так давно была обнаружена сверхпроводимость при 203 К (-70°С), что очень много. Она возникает под огромным давлением, что не позволит ее применить в практических решениях. Однако все это показывает, что получить сверхпроводимость при высоких температурах возможно, и надо лишь искать», — объяснил Forbes профессор Алексей Цвелик из Брукхейвенской национальной лаборатории. Он добавил, что самыми интересными считает сверхпроводники на основе окиси меди, потому что они показывают много других интересных эффектов помимо сверхпроводимости, которые еще только ждут теоретического описания.
Загадка данных
Не имея возможности узнать состав нового вещества, ученое сообщество обратило пристальное внимание на некоторые детали работы. Физик-теоретик Брайан Скиннер из знаменитого Массачусетского института технологий (MIT) изучил препринт индийских ученых, и у него появились вопросы к графику перехода сплава в сверхпроводящее состояние.
Скиннер не является специалистом по сверхпроводимости, но он посвятил отдельный препринт особенностям графика в работе индийцев. Шум практически отсутствует в области высоких температур и становится заметным после перехода в сверхпроводящее состояние. Это нетипично: в зависимости от настроек приборов и обработки данных график может быть гладким или зашумленным, но не одновременно. Кроме того, шумы обычно пропорциональны значению физической величины, а магнитная восприимчивость как раз снижается при переходе в сверхпроводящее состояние. В графике индийцев все наоборот — шумы возникают при переходе в сверхпроводимость.
Еще большее удивление у Скиннера вызвало то обстоятельство, что у нескольких графиков (для разных значений магнитного поля) шумы коррелируют — они практически повторяют друг друга. Дело в том, что шумы по своей природе случайны, даже для измерений в одних условиях они не повторяются.
Скиннер посоветовался со специалистами по сверхпроводимости, и они подтвердили его подозрения. После этого он предложил другим ученым присоединиться к обсуждению.
Физик Пратап Рейчаудхури изучает физику низких температур в Институте фундаментальных исследований Тата в индийском городе Мумбаи. Он внимательно следил за реакцией ученых на заявление об открытии. В ответ на статью Скиннера он заметил, что странных графиков недостаточно, чтобы обвинить индийских ученых в фальсификации, и дал несколько версий, объясняющих странности. Однако, чтобы выбрать одну из них, нужны исходные экспериментальные данные. А их-то Тапа и Пандей обнародовать не спешат.
Открытый финал
Научная группа экспериментатора Мингды Ли с факультета ядерной физики MIT также пыталась повторить результаты индийских ученых. Однако Ли сообщил Nature, что после работы Скиннера они собрались всем коллективом и решили, что шумы разных экспериментов не должны быть идентичными, поэтому прекратили попытки повторить работу с серебряно-золотым сплавом. Пушан Аюб, физик из Института Тата, отметил, что его лаборатория продолжает попытки повторить работу по высокотемпературной сверхпроводимости, но работает над этим уже не так рьяно.
Пост Рейчаудхури имел неожиданное последствие. Физик получил письмо от именитого индийского коллеги, который убеждал его прекратить критику работы Тапа и Пандея. Однако вскоре Рейчаудхури выяснил, что письмо было прислано анонимом, который зарегистрировал аккаунт с именем известного ученого.
Рейчаудхури отмечает, что в этой истории научное сообщество проявило себя с самой лучшей стороны: все отвлеклись от своих направлений и вступили в дискуссию на единой платформе. Он отмечает, что в любом случае эта история подстегнет интерес публики к сверхпроводимости.
«Если все это воспроизведут, то, конечно, это будет замечательное открытие. Для нас –40°С — это комнатная температура. То есть сверхпроводимость можно делать в холодильнике, а даже не при жидком азоте», — подытоживает ценность этой истории профессор Алексей Цвелик. Однако он предостерегает против того, чтобы уделять этой скандальной истории слишком много внимания: «Среди моих коллег-экспериментаторов никто про это не говорит. Думаю, не стоит об этом беспокоиться, пока открытие не подтвердили другие исследователи».