La superconduttività "danneggiata" mentre i ricercatori cercano di superare le ritrazioni - Physics World

"Sto per introdurre un nuovo materiale per la prima volta." Così disse il fisico della materia condensata Ranga Dias in una sala conferenze gremita del Riunione di marzo dell'American Physical Society a Las Vegas all'inizio di quest'anno. Il materiale in questione era idruro di lutezio drogato con azoto, o Lu-NH, e Dias continuò descrivendo le misurazioni affermando di aver visto prove di superconduttività alla notevole temperatura di 294 K (una mite temperatura di 20 °C) sotto una pressione di 1 GPa (10 kbar).

Con sede presso l'Università di Rochester negli Stati Uniti, Dias ha affermato di aver osservato molte tracce di superconduttività, come la resistenza elettrica che scende a zero a una particolare temperatura di transizione e il materiale che espelle le linee del campo magnetico. Lui e i suoi colleghi hanno anche misurato il calore specifico del campione, che ha mostrato una risposta caratteristica alla temperatura di transizione.

La loro scoperta sembrava segnare il culmine di una ricerca durata un secolo nel campo della fisica della materia condensata: la ricerca di materiali superconduttori in condizioni ambientali. Eppure dopo il discorso nessuno ha detto una parola e non ci sono stati festeggiamenti sfrenati. Dias ha semplicemente terminato il suo discorso e ha passato il microfono all'oratore successivo.

Un membro del pubblico ha chiesto se ci sarebbero state domande. "Non abbiamo tempo", ha risposto il presidente della sessione Minta Akin del Lawrence Livermore National Laboratory, la sua risposta è stata accolta con un gemito udibile dalla stanza.

L’atmosfera sembrava molto diversa da quella di un precedente incontro dell’APS di marzo del 1987 – il famoso “Woodstock della fisica” a New York City che ebbe luogo subito dopo la scoperta dei primi superconduttori ad alta temperatura.

Allora i fisici Georg Bednorz e Alex Muller aveva infiammato il mondo della fisica della materia condensata dopo aver scoperto l'anno prima che un materiale contenente ossido di rame, lantanio e bario diventava superconduttore a circa 35 K. Questo era circa il 50% in più rispetto al precedente record di 23 K che era stato raggiunto più rispetto a un decennio prima nel niobio-germanio (Nb₃Ge).

I nuovi materiali “cuprati” suscitarono tanto scalpore perché non erano metalli ma isolanti e offrivano la possibilità di trovare nuove stechiometrie e composti che potessero potenzialmente raggiungere temperature di transizione ancora più elevate.

Un superconduttore a temperatura ambiente era il Santo Graal, offrendo la speranza per un’ampia gamma di applicazioni, dalle reti energetiche ultra efficienti alle applicazioni mediche che richiedono potenti magneti.

Bednorz e Müller vinsero successivamente il Premio Nobel per la fisica nel 1987 per la scoperta e nei decenni successivi i ricercatori crearono nuovi composti a base di cuprato che raggiungevano temperature di transizione di 133 K a pressione ambiente e 166 K a una pressione di circa 30 GPa.

Dai cuprati agli idruri

Mentre i cuprati erano stati i de facto re dei superconduttori negli ultimi due decenni, tutto ha cominciato a cambiare a metà degli anni 2010. Nel 2015 Michele Eremet e colleghi dell'Istituto Max Planck di Chimica e dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza, entrambi in Germania, hanno osservato la superconduttività a 203 K in un campione di idrogeno solforato.

Sebbene il materiale dovesse essere compresso a 150 GPa (Natura 525 73), nel 2018 un gruppo guidato da Russel Hemley, poi alla George Washington University negli Stati Uniti, hanno riportato una superconduttività a 260 K nel superidruro di lantanio, sebbene ancora sotto pressioni di oltre 180 GPa, lavoro pubblicato nel 2019 (Fis. Rev. Lett. 122 027001).

Nello stesso anno il team di Eremets rilevò la superconduttività a temperature fino a 250 K  in idruro di lantanio a 170 GPa (Natura 569 528).

Il lavoro su questi cosiddetti idruri binari – composti che contengono idrogeno e un altro elemento come l’idrogeno solforato – ha scatenato una “corsa all’oro” nella ricerca di superconduttori ad alta temperatura.

Ma la cosa più entusiasmante è che essi erano stati previsti interamente sulla base di calcoli basati sui principi primi, con la teoria che concordava quasi perfettamente con l’esperimento.

Il comportamento sconsiderato di Dias ha danneggiato la reputazione del settore e potrebbero essere necessari alcuni anni per riparare il danno

Lilia Boeri

"Gli idruri sono stati probabilmente la scoperta più entusiasmante nel campo della superconduttività dopo i cuprati, e una straordinaria storia di successo dell'interazione tra teoria ed esperimento", afferma il fisico teorico Lilia Boeri dell'Università degli Studi di Roma La Sapienza.

Dias e colleghi sono entrati nel gioco della superconduttività ad alta temperatura nel 2020. Usando la sua esperienza nella compressione dell'idrogeno ad alta pressione (vedi riquadro sotto), il gruppo di Dias pubblicò un articolo sull'idruro di zolfo carbonioso che affermava di mostrare superconduttività a 288 K sotto una pressione di circa 260 GPa (Natura 586 373).

Nello stesso periodo Dias ha co-fondato una società, Unearthly Materials, per commercializzare superconduttori a temperatura ambiente e quell'anno il lavoro ha ricevuto un premio 2020 Mondo della fisica La svolta dell'anno.

Nel 2021 Dias è stato addirittura nominato a TIME100 Il prossimo innovatore per il suo lavoro. " Cerchiamo di essere chiari: hoverboard, treni a levitazione magnetica e linee elettriche prive di resistenza non arriveranno né quest'anno né il prossimo", ha osservato Ora rivista. "Ma grazie a Ranga Dias, sono più vicini di quanto lo siano mai stati."  

Ma non tutto era come sembrava. Nel 2021 i ricercatori hanno sollevato preoccupazioni riguardo ad alcune elaborazioni dei dati nel documento, in particolare al modo in cui uno sfondo era stato sottratto dalle misurazioni della resistenza per mostrare che il campione cadeva a resistenza zero dopo la temperatura di transizione.

La temperatura sta aumentando

Poi, nel settembre 2022, quello del gruppo Natura la carta è stata ritirata. “Abbiamo ora stabilito che alcune fasi chiave dell’elaborazione dei dati – vale a dire le sottrazioni di fondo applicate ai dati grezzi utilizzati per generare i grafici di suscettibilità magnetica – utilizzavano una procedura non standard, definita dall’utente”, ha osservato un aggiornamento editoriale scritto dagli autori del documento originale.

Tutti e nove gli autori dell'articolo non sono d'accordo con la decisione di Natura di ritrattare, sebbene l'Università di Rochester abbia avviato tre indagini interne, due delle quali sono state completate nel maggio 2022 e un'altra dopo la ritrattazione. Rochester ha annunciato che le indagini non hanno trovato prove di cattiva condotta ma non hanno rilasciato tutti i dettagli delle richieste.

Dias non si è scoraggiato e, dopo aver tenuto il suo discorso all'incontro dell'APS di quest'anno, il lavoro del suo team su Lu-NH è stato pubblicato, di nuovo dentro Natura (615 244).

Nel mese di aprile, a è stato pubblicato il brevetto che elenca Dias come inventore (anche se depositato nell'aprile 2022) per un materiale idruro di lutezio che può supercondurre a temperatura ambiente. Tuttavia non sono stati forniti dettagli sull'esatta stechiometria del materiale. Ma proprio come nel 2020 Natura articolo, sono state sollevate domande sulla sottrazione del fondo nel nuovo studio.

C'erano anche preoccupazioni sul fatto che il tasso di successo dichiarato della misurazione della superconduttività ad alte temperature nei campioni Lu-NH fosse solo del 35% circa, quando si sperava che tutti i campioni realizzati secondo una determinata ricetta fossero superconduttori per favorire la riproducibilità.

Ritengo ancora che la superconduttività dell'idruro abbia buone possibilità di fornire alla fine un superconduttore in condizioni ambientali

David Ceperley

E quando altri ricercatori tentarono di riprodurre i risultati, fallirono. Di Peng dell’Istituto di Fisica dello Stato Solido di Hefei, in Cina, e colleghi, ad esempio, hanno trovato alcuni segni di una transizione a circa 240 K, ma suggeriscono che non siano indicativi di superconduttività.arXiv: 2307.00201).

Anche i teorici che cercarono di spiegare la superconduttività ad alta temperatura si trovarono in difficoltà. Boeri e colleghi hanno recentemente dimostrato che non solo non sono riusciti a identificare un singolo composto nel diagramma di stato Lu-NH che potrebbe spiegare le straordinarie affermazioni di Dias, ma anche che gli idruri Lu-NH sono intrinsecamente superconduttori a bassa temperatura (Comune di natura 14 5367). "Non esiste un unico documento teorico che trovi una spiegazione plausibile per i risultati di Dias", afferma.

Il sostegno al lavoro di Dias, tuttavia, è arrivato da Hemley, che ora lavora all'Università dell'Illinois a Chicago. Dopo aver ricevuto il materiale preparato dal team di Dias, Hemley e colleghi hanno misurato la resistenza elettrica dei campioni sotto varie pressioni, trovando prove di superconduttività fino a 276 K a 15 kbar (arXiv: 2306.06301).

“Le nostre misurazioni sono in ottimo accordo con quanto riportato nell' Natura carta”, ha detto Hemley Mondo della fisica. “Inoltre, l’entità del calo è persino maggiore di quella dei dati precedenti”.

Hemley afferma che l'analisi teorica condotta da lui e dai suoi colleghi mostra che la struttura elettronica di Lu-NH è "notevole" (arXiv: 2305.18196).

“Con queste continue scoperte, la ricerca di superconduttori che funzionino a temperatura ambiente o addirittura superiore, insieme alla ricerca per stabilizzare questi materiali vicino alla pressione ambiente, rimane molto entusiasmante”, aggiunge.

La scienza soffrirà se non riusciamo a preservare l’integrità accademica

Ma c'erano altre brutte notizie in serbo per Dias. Il 1 settembre 2023 Natura pubblicato una nota del redattore avvisando i lettori che il documento Lu-NH di Dias è oggetto di indagine.

"L'affidabilità dei dati presentati in questo manoscritto è attualmente in discussione", Natura disse. "Una volta risolta la questione, verranno intraprese azioni editoriali appropriate."

Secondo un rapporto del Wall Street Journal alla fine di settembre, otto degli 11 autori dello studio Lu-NH avevano scritto a Tobias Rödel, redattore senior presso Natura, chiedendo il ritiro dell'articolo, sostenendo che la Dias “non ha agito in buona fede riguardo alla preparazione e alla presentazione del manoscritto”.

A quanto pare Rödel ha risposto nel giro di pochi giorni osservando: "Siamo assolutamente d'accordo con la vostra richiesta di ritirare il documento". Finora, gli unici ricercatori che si attengono alle loro scoperte sono Dias e due dei suoi attuali dottorandi.

David Ceperley dell'Università dell'Illinois, che ha scritto a Articolo di notizie e visualizzazioni per Natura riguardo ai risultati Lu-NH, si dice “deluso”. Natura non ha fatto un lavoro migliore nel rivedere il documento in primo luogo.

"Ci è stato fornito solo il manoscritto accettato e non i file di dati o i commenti dei revisori", afferma. “Solo dopo la pubblicazione del documento siamo venuti a conoscenza di alcuni problemi che avrebbero potuto essere riscontrati in precedenza”.

Andare avanti

Cosa accadrà al gruppo di Dias non è noto. Nel mese di agosto l'Università di Rochester ha annunciato che sta indagando nuovamente sul lavoro di Dias, anche se non si sa quando l'indagine sarà completata. “Purtroppo il comportamento sconsiderato di Dias ha danneggiato la reputazione del settore e potrebbero volerci alcuni anni per riparare al danno”, afferma Boeri.

Questa visione è sostenuta dal fisico della materia condensata James Hamlin dell'Università della Florida, che ha esaminato alcuni lavori del gruppo di Dias. "Penso che l'intera saga sia dannosa per la scienza in generale, e la ricerca sulla superconduttività lo è ancora di più e, più in generale, è carburante per gli anti-scientifici", ha detto Mondo della fisica. “Potrebbe avere un impatto sui finanziamenti per la ricerca sull’alta pressione e questo sarebbe un peccato dato che si tratta di un’area così fruttuosa con così tanti interessanti sviluppi recenti”.

Hamlin ritiene inoltre che le riviste di ricerca scientifica dovrebbero ampliare le loro comunicazioni per includere tutti gli autori dell'articolo piuttosto che solo l'autore corrispondente quando viene sollevata una potenziale cattiva condotta nella ricerca. "Tutti gli autori sono soggetti a potenziali danni alla reputazione derivanti da un'accusa di cattiva condotta, quindi tutti gli autori dovrebbero essere a conoscenza delle comunicazioni pertinenti da parte degli editori fin dall'inizio", aggiunge.

Nonostante questi problemi, il lavoro sugli idruri sta progredendo. A luglio Guangtao Liu dell'Università di Jilin, in Cina, e colleghi hanno scoperto una superconduttività fino a 110 K a una pressione di 80 GPa nell'idruro ternario LaBeH₈ (Fis. Rev. Lett. 130 266001).

Finalmente arriva il superconduttore a temperatura ambiente, un misterioso rilevatore di materia oscura

Sebbene questa temperatura non sia così elevata, questi composti ternari sono interessanti perché hanno una varietà potenziale di strutture più ampia rispetto ai loro cugini binari, il che potrebbe espandere i materiali disponibili per la superconduttività ad alta temperatura. “Il campo [della ricerca sugli idruri] è sano e ha il potenziale per produrre molti altri risultati innovativi in ​​futuro”, aggiunge Boeri.

Ceperley è d'accordo. "Sento ancora che la superconduttività dell'idruro ha buone possibilità di fornire un superconduttore in condizioni ambientali, che avrebbe vaste applicazioni tecnologiche", osserva. “Lo spazio dei possibili composti e metodi di fabbricazione è così vasto che potrebbe volerci del tempo per trovarli”.

Per quanto riguarda Dias, ha rifiutato di commentare questo articolo, anche se nei precedenti commenti sui media aveva affermato di sostenere i suoi risultati.

Nel mese di luglio Mondo della fisica si è persino offerto di pubblicare un'intervista con Dias e gli ha inviato una serie di domande scritte tramite Punto 30, un'agenzia di pubbliche relazioni con sede negli Stati Uniti che agisce per conto di Dias. Nonostante avesse accettato di rispondere alle domande, Dias si è poi ritirato dall'intervista.

Mondo della fisica da allora ha appreso che 30 Point non funziona più con Dias.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/superconductivity-damaged-as-researchers-look-to-move-on-from-retractions/