Investigadores independientes no han encontrado evidencia de superconductividad a temperatura ambiente en una forma modificada de apatita de plomo, frustrando las esperanzas de un avance tecnológico. El material llamó la atención del público en julio después de que dos científicos coreanos, Sukbae Lee y Ji Hoon Kim, junto con colegas de Corea y Estados Unidos, afirmaron que podía conducir electricidad sin resistencia a presión y temperatura ambiente. Sin embargo, los intentos posteriores de replicar sus resultados fracasaron y algunos expertos creen que el tentador hallazgo puede haberse debido a impurezas en la muestra supuestamente superconductora.
Desde hace mucho tiempo se buscan materiales que transporten corriente sin resistencia a altas temperaturas. Un verdadero superconductor a temperatura ambiente aportaría importantes beneficios, incluidas redes eléctricas eficientes y ordenadores más potentes. También permitiría reducir el tamaño y el coste de los aceleradores de partículas, las máquinas de resonancia magnética y otros dispositivos que dependen de voluminosos sistemas de refrigeración para mantener sus bobinas magnéticas en un estado superconductor (de baja temperatura).
En un par de no revisado por pares papeles Publicado en el servidor de preimpresión arXiv el 22 de julio, Lee, Kim y sus colegas afirmaron haber producido dicho material. Apodado LK-99 por las iniciales de sus descubridores, el material fue descrito por primera vez como un superconductor a temperatura ambiente en abril en un artículo publicado en el Revista sobre el crecimiento y la tecnología del cristal de Corea. Más recientemente, en los dos artículos de arXiv, el equipo especificó que el material muestra cuatro signos de superconductividad: flujo de corriente sin resistencia; expulsión y levitación del campo magnético (efecto Meissner); y una temperatura crítica y un campo magnético crítico por debajo de los cuales se produjo la transición superconductora.
El equipo también propuso una explicación, sugiriendo que la superconductividad podría surgir de la presión química o "estrés" causado por la introducción de átomos de cobre en la apatita de plomo. Dado que la disposición de estas impurezas introducidas es crucial, el equipo proporcionó una "receta" para fabricar el material, datos de difracción de rayos X sobre su estructura y una fórmula química para el producto final: Pb10 − xCux(PO4)6O, donde x es la concentración de átomos de cobre y está entre 0.9 y 1.1.
Los primeros intentos de replicación fracasan
Armados con esta información, muchos grupos de investigación (y al menos uno con conocimientos técnicos) aficionado con acceso a buenos equipos) comenzaron a sintetizar sus propias muestras. “Las posibilidades dentro de las afirmaciones de Lee, Kim et al. Sería un punto de inflexión para la sociedad si resultaran ser ciertas, por lo que, por supuesto, queríamos ser parte de la historia en caso de que se produjera un avance real”, dice Ross Colman, que participó en un intento de replicación en línea en vivo con colegas de la Universidad Carolina de Praga, Chequia.
Los experimentos iniciales no produjeron ningún avance. En uno de los primeros informes, VPS Awana y colegas de la India CSIR-Laboratorio Nacional de Física (NPL) sintetizó una muestra que se volvía débilmente magnética cuando se colocaba sobre un imán fuerte, en lugar de expulsar el campo magnético como lo haría un superconductor. Otro intento de replicación temprana, este por Zhiqi Liu y colegas de la Universidad de Beihang en Beijing, China, produjeron una muestra que se comportaba como un semiconductor, con una gran resistencia a temperatura ambiente.
Colman dice que estas inconsistencias se deben en parte a la naturaleza "desordenada" de las instrucciones para sintetizar LK-99. "Aunque la receta de síntesis se presenta de forma muy sencilla, hay una serie de imprecisiones o falta de información", afirma. Los ejemplos incluyen las dimensiones del equipo utilizado, cómo debe cambiar la temperatura durante las diferentes etapas de síntesis e incluso el hecho de que el material se funde a 925 °C. "Una descripción más detallada habría evitado muchas conjeturas", afirma.
Una puerta se abre una rendija...
Desde el punto de vista teórico, las cosas fueron un poco más alentadoras. Un equipo liderado por Xing-Qiu Chen del Laboratorio Nacional de Ciencia de Materiales de Shenyang de China calculado que un material con la fórmula Pb10 − xCux(PO4)6O contendría estructuras electrónicas conocidas como bandas planas en el nivel de Fermi, que es el nivel de energía más alto que puede ocupar un electrón a 0 K. Estas bandas planas pueden ser un sello distintivo de la superconductividad.
Independientemente, Sinéad Griffin, científico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Estados Unidos, llegó a una conclusión conclusión similar: cambiar cobre por plomo en el lugar apropiado dentro de Pb10 − xCux(PO4)6O produce bandas planas. De manera menos prometedora, Griffin calculó que una sustitución experimentalmente más sencilla no tiene tal efecto. "Este resultado indica el desafío de la síntesis para obtener Cu sustituido en el sitio apropiado", escribió.
...y luego se cierra de golpe
A pesar de esta advertencia, los resultados de la banda plana fueron recibidos con euforia entre el creciente ejército de fanáticos de LK-99 en las redes sociales. cuando grifo publicó su artículo en Twitter/X, acompañado de un GIF de "caída de micrófono" con el ex presidente estadounidense Barack Obama, las respuestas incluían "Esto es tan rudo" y "Tuit increíblemente basado".
Sin embargo, durante los siguientes quince días, los fallos de replicación continuaron y el aire empezó a escaparse de la burbuja publicitaria. A segundo esfuerzo realizado por el equipo indio de NPL utilizó materiales precursores más puros y produjo una muestra con picos de difracción de rayos X que coincidían más con los de los artículos originales de arXiv. Desgraciadamente, esta nueva muestra tampoco era un superconductor. Era diamagnético y se magnetizaba en la dirección opuesta al campo aplicado.
Esto es importante, porque una de las pruebas más sólidas a favor de la superconductividad a temperatura ambiente en LK-99 fue la capacidad del material para levitar cuando se coloca encima de un imán potente en condiciones ambientales. El equipo coreano interpretó que esto se debía al efecto Meissner, pero los objetos diamagnéticos (incluidos ranas y fresas) también levitará si el campo magnético es lo suficientemente fuerte.
Otra explicación alternativa porque la levitación de LK-99 vino de Shuang Jia y colegas de la Universidad de Pekín en Beijing. Aunque persuadieron a "algunos pequeños fragmentos escamosos" de su muestra sintetizada para que levitaran, estos fragmentos levitantes "contienen de manera ubicua componentes ferromagnéticos blandos, débiles pero definitivos". El ferromagnetismo, escribieron, puede explicar la levitación en LK-99 sin recurrir a la superconductividad.
Surge una imagen más completa
Andrei Bernevig, teórico de la materia condensada de la Universidad de Princeton, EE. UU., los diferentes resultados y la exageración asociada son una fuente de frustración. “Muchas cosas desde el principio fueron apresuradas y las declaraciones de todas las partes no fueron revisadas”, dice. Mundo de la Física. "En mi opinión, las redes sociales, los memes, etc., han sido completamente perjudiciales para el progreso en este campo... Espero que nunca volvamos a hacer ciencia como esta".
Para proporcionar respuestas concretas, Bernevig y su colega de Princeton Leslie Schoop, junto con colaboradores en España, Alemania y la Universidad de Oregón, EE. UU., se centraron en una cuestión diferente. En lugar de investigar si LK-99 mostraba signos de superconductividad, comenzaron preguntando: ¿qué is LK-99, ¿de todos modos?
Después de sintetizar su propia muestra, el equipo realizó mediciones de difracción de rayos X en el mejor cristal del lote. Este cristal resultó contener al menos tres componentes diferentes. "La receta es sencilla, pero no da como resultado un material monofásico", explica Schoop, químico de materiales. "Cuando una muestra consta de varios materiales, como parece ser el LK-99, es difícil obtener exactamente los mismos resultados en diferentes laboratorios".
A primera vista, esta conclusión podría parecer respaldar la hipótesis presentada por fanáticos en línea de LK-99 que sugirieron que las fallas de replicación se debieron a muestras sintetizadas incorrectamente. Lamentablemente, los teóricos del equipo de Princeton calcularon que en un material con la estructura “correcta”, las bandas planas que inspiraron tanto entusiasmo están localizadas y, por lo tanto, en efecto, son del tipo incorrecto. "Estas bandas planas localizadas tienden a dar lugar a magnetismo en LK-99 (para las estructuras supuestas) en lugar de superconductividad", explica un miembro del equipo. Jiabin Yu, investigador postdoctoral en teoría de la materia condensada en Princeton.
Otros cálculos realizados por el mismo equipo mostraron que es poco probable que los átomos de cobre entren en la estructura de los precursores de LK-99 en concentraciones lo suficientemente altas como para afectar sus propiedades. Esto sugiere que la explicación del equipo coreano sobre la superconductividad es incorrecta. También arroja dudas sobre la estructura propuesta del material, con consecuencias tanto para los teóricos como para los experimentales. "Si la estructura de 'LK-99' es diferente de las supuestas, entonces actualmente no podemos hacer afirmaciones fiables sobre la superconductividad", afirma Yu.
El papel de las impurezas.
Wei Wu nos dio otra idea: Jianlin Luo y colegas del Laboratorio Nacional de Física de la Materia Condensada de Beijing, China. Al igual que los investigadores coreanos, ellos observado una transición brusca "similar a la superconductora" en la resistividad y susceptibilidad magnética de LK-99 a temperaturas un poco por debajo de 400 K.
Sin embargo, sugieren que esto podría haber surgido de Cu2S impurezas en la muestra original, que los investigadores coreanos reconocen que estaban presentes. Cu2S sufre una transición de fase estructural alrededor de 385 K, y los investigadores de Beijing descubrieron que esta transición de fase produce una fuerte caída en la resistividad de un LK-99/Cu.2Mezcla S. Esto, dicen, puede ser lo que vio el equipo coreano.
"Si existe una explicación alternativa simple para los resultados, ya no hay razón para considerar la extraordinaria afirmación de la superconductividad a temperatura ambiente".
Michael Führer
Cuándo Mundo de la física Cuando hizo estas preguntas a los miembros del equipo, Lee, el autor correspondiente del primer artículo de arXiv, no respondió. Hyun Tak Kim, físico del College of William and Mary de EE. UU. y autor correspondiente del segundo artículo de arXiv, declinó hacer comentarios porque envió el artículo a una revista y abordará las críticas en su respuesta al informe de un revisor.
“El último clavo en el ataúd”
A falta de novedades, Michael Führer, un físico de materia condensada de la Universidad de Monash, Australia, que ha estado siguiendo los intentos de replicación, llama al resultado de Wu y Luo "el último clavo en el ataúd" para LK-99 como superconductor a temperatura ambiente. Junto con el ferromagnetismo y el diamagnetismo reportados en otros lugares, Fuhrer dice que esto muestra que los hallazgos del equipo coreano pueden "muy probablemente explicarse" por la presencia de impurezas en su muestra. "Si hay una explicación alternativa simple para los resultados, ya no hay razón para considerar la extraordinaria afirmación de la superconductividad a temperatura ambiente", dice. Mundo de la Física.
¿Han descubierto los científicos en Corea el primer superconductor a temperatura y presión ambiente?
Colman es un poco más optimista. “Queda una chispa de esperanza de que las observaciones de superconductividad sigan siendo reales, si se relacionan con una impureza muy específica en las muestras coreanas”, dice, “pero rastrear la verdad de las observaciones puede ser un proceso muy difícil. La reproducción experimental de las propiedades es imposible si solo un grano en un lote de multigramos muestra las propiedades que le interesan”.
Aún así, Fuhrer no cree que la comunidad científica deba juzgar al equipo con dureza. "La ciencia no es un tribunal de justicia y es poco probable que obtengamos 'pruebas' de que las muestras originales del LK-99 no contienen ningún superconductor", afirma. En cambio, los intentos fallidos de replicación “simplemente muestran que es más probable que los resultados se expliquen de otra manera... Creo que este fue un ejemplo genuino de científicos competentes que creyeron que tenían razón pero se dejaron engañar de una manera bastante sutil y sorprendente”.
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