Superprevodnost je 'poškodovana', ko si raziskovalci prizadevajo za korak naprej od umikov – Svet fizike

"Prvič bom predstavil nov material." Tako je rekel fizik kondenzirane snovi Ranga Dias v nabito polno konferenčno sobo na Marčevsko srečanje Ameriškega fizikalnega društva v Las Vegasu v začetku tega leta. Zadevni material je bil lutetijev hidrid, dopiran z dušikom, ali Lu-NH, Dias pa je opisal meritve in trdil, da je videl dokaze o superprevodnosti pri osupljivih 294 K (blagih 20 °C) pod pritiskom 1 GPa (10 kbar).

Dias s sedežem na Univerzi v Rochesterju v ZDA je trdil, da je opazil številne znake superprevodnosti, kot je električni upor, ki pade na nič pri določeni temperaturi prehoda, in material, ki izganja črte magnetnega polja. On in njegovi kolegi so izmerili tudi specifično toploto vzorca, ki je pokazala značilen odziv pri temperaturi prehoda.

Zdi se, da je njihova ugotovitev označila vrhunec stoletnega iskanja v fiziki kondenzirane snovi: iskanje materialov, ki so superprevodni v okoljskih pogojih. A po pogovoru nihče ni spregovoril besede in ni bilo divjega slavja. Dias je preprosto končal svoj govor in predal mikrofon naslednjemu govorniku.

Član občinstva je vprašal, ali bodo vprašanja. "Nimamo časa," je odgovorila vodja seje Minta Akin iz nacionalnega laboratorija Lawrence Livermore, njen odgovor pa je pozdravil slišen stok iz sobe.

Ozračje se je zdelo zelo drugačno od prejšnjega marčevskega srečanja APS leta 1987 – slovitega »Woodstocka fizike« v New Yorku, ki je potekal takoj po odkritju prvih visokotemperaturnih superprevodnikov.

Takrat sta fizika Georg Bednorz in Alex Muller je zažgal svet fizike kondenzirane snovi, potem ko je leto prej odkril, da je material, ki vsebuje bakrov oksid, lantan in barij, postal superprevoden pri okoli 35 K. To je bilo približno 50 % več od prejšnjega rekorda 23 K, ki je bil dosežen več kot desetletje prej v niobij-germaniju (Nb₃Ge).

Novi "cupratni" materiali so povzročili tako hrup, ker niso bili kovine, ampak izolatorji in so ponudili možnost iskanja novih stehiometrij in spojin, ki bi potencialno lahko dosegle še višje prehodne temperature.

Superprevodnik za sobno temperaturo je bil sveti gral, ki je vlival upanje za široko paleto aplikacij od ultra učinkovitih energetskih omrežij do medicinskih aplikacij, ki zahtevajo močne magnete.

Bednorz in Müller sta leta 1987 prejela Nobelovo nagrado za fiziko za odkritje in v desetletjih, ki so sledila, so raziskovalci ustvarili nove spojine na osnovi kuprata, ki so dosegle prehodne temperature 133 K pri tlaku okolja in 166 K pri tlaku okoli 30 GPa.

Od kupratov do hidridov

Medtem ko so bili kuprati de facto kralji superprevodnosti v zadnjih nekaj desetletjih, kar se je začelo spreminjati sredi 2010-ih. Leta 2015 Mikhail Eremets in sodelavci na Inštitutu Max Planck za kemijo in Univerzi Johannes Gutenberg Mainz, oba v Nemčiji, so opazili superprevodnost pri 203 K v vzorcu vodikovega sulfida.

Čeprav je bilo treba material stisniti na 150 GPa (Narava 525 73), leta 2018 skupina pod vodstvom Russell Hemley, takrat na univerzi George Washington v ZDA, je poročal o superprevodnosti pri 260 K v lantanovem superhidridu, čeprav še vedno pod pritiski nad 180 GPa, delo, ki je bilo objavljeno leta 2019 (Fiz. Rev. Lett. 122 027001).

Istega leta je Eremetsova ekipa poročala o superprevodnosti pri temperaturah do 250 K  v lantanovem hidridu pri 170 GPa (Narava 569 528).

Delo na teh tako imenovanih binarnih hidridih – spojinah, ki vsebujejo vodik in en drug element, kot je vodikov sulfid – je sprožilo »zlato mrzlico« pri iskanju visokotemperaturnih superprevodnikov.

Najbolj razburljivo pa je bilo to, da so bili napovedani v celoti iz izračunov prvih principov, pri čemer se je teorija skoraj popolnoma ujemala z eksperimentom.

Diasovo nepremišljeno vedenje je škodovalo ugledu področja in morda bo trajalo nekaj let, da se škoda popravi

Lilija Boeri

"Hidridi so bili verjetno najbolj vznemirljivo odkritje na področju superprevodnosti po kupratih in neverjetna zgodba o uspehu medsebojnega delovanja teorije in eksperimenta," pravi teoretični fizik Lilija Boeri z rimske univerze La Sapienza.

Dias in njegovi sodelavci so leta 2020 vstopili v igro visokotemperaturne superprevodnosti. Diasova skupina je z uporabo njegovih izkušenj s stiskanjem vodika do visokega tlaka (glejte okvir spodaj). objavil članek o ogljikovem žveplovem hidridu ki je trdil, da kaže superprevodnost pri 288 K pod tlakom približno 260 GPa (Narava 586 373).

Približno v istem času je Dias soustanovil podjetje - Unearthly Materials - za komercializacijo superprevodnikov pri sobni temperaturi in tisto leto je delo prejelo nagrado 2020 Svet fizike Preboj leta.

Leta 2021 je bil Dias celo imenovan za TIME100 Naslednji inovator za svoje delo. "Bodimo jasni: lebdeče deske, magnetni levitacijski vlaki in daljnovodi brez upora ne bodo na voljo ne letos ne naslednje leto," je opozoril čas revija. "Toda zahvaljujoč Rangi Dias so si bližje, kot so bili kdaj koli prej."  

A ni bilo vse tako, kot se je zdelo. Leta 2021 so raziskovalci izrazili pomisleke glede nekaterih obdelav podatkov v dokumentu, zlasti glede načina, na katerega je bilo ozadje odšteto od meritev upora, da se pokaže, da vzorec pade na nič upora po prehodni temperaturi.

Temperatura narašča

Potem, septembra 2022, skupine Narava papir je bil umaknjen. "Zdaj smo ugotovili, da so nekateri ključni koraki obdelave podatkov - in sicer odštevanja ozadja, uporabljena za neobdelane podatke, uporabljene za ustvarjanje grafov magnetne občutljivosti - uporabili nestandardni, uporabniško določen postopek," je zapisano v uredniški posodobitvi, ki so jo napisali avtorji izvirnega papirja.

Vseh devet avtorjev prispevka se ni strinjalo z odločitvijo avtorja Narava umakniti, čeprav je Univerza v Rochestru začela tri interne preiskave, od katerih sta bili dve zaključeni maja 2022, druga pa po umiku. Rochester je sporočil, da preiskava ni našla nobenih dokazov o zlorabi, vendar jih ni izdal vse podrobnosti o poizvedbah.

Diasa to ni prestrašilo in po govoru na letošnjem srečanju APS je objavljeno je bilo delo njegove ekipe o Lu-NH, spet v Narava (615 244).

Aprila je a objavljen je bil patent, v katerem je Dias naveden kot izumitelj (čeprav vloženo aprila 2022) za material lutecij hidrid, ki je lahko superprevoden pri sobni temperaturi. Vendar pa niso bile podane nobene podrobnosti o natančni stehiometriji materiala. Toda tako kot pri letu 2020 Narava papirju so se pojavila vprašanja o odštevanju ozadja v novi študiji.

Pojavljali so se tudi pomisleki, da je bila navedena stopnja uspešnosti merjenja superprevodnosti pri visokih temperaturah v vzorcih Lu-NH le približno 35 %, čeprav bi upali, da bodo vsi vzorci, izdelani po določenem receptu, superprevodni, kar bo pripomoglo k ponovljivosti.

Še vedno menim, da ima hidridna superprevodnost dobre možnosti, da sčasoma zagotovi superprevodnik pri okoljskih pogojih

David Ceperley

In ko so drugi raziskovalci poskušali ponoviti ugotovitve, jim ni uspelo. Di Peng z Inštituta za fiziko trdne snovi v Hefeiju na Kitajskem in njegovi sodelavci so na primer našli nekaj znakov prehoda pri približno 240 K, vendar kažejo, da ne kažejo na superprevodnost (arXiv: 2307.00201).

Teoretiki, ki so poskušali razložiti visokotemperaturno superprevodnost, so se prav tako znašli v težavah. Boeri in sodelavci so pred kratkim pokazali, da ne le da niso mogli identificirati niti ene spojine v faznem diagramu Lu-NH, ki bi lahko pojasnila Diasove izjemne trditve, ampak tudi, da so hidridi Lu-NH sami po sebi nizkotemperaturni superprevodniki (Nature Commun. 14 5367). "Ni enega samega teoretičnega dokumenta, ki bi našel verodostojno razlago za Diasove rezultate," pravi.

Podpora za Diasovo delo pa je prišla od Hemleyja, ki je zdaj na Univerzi Illinois Chicago. Ko so dobili material, ki ga je pripravila Diasova ekipa, so Hemley in njegovi sodelavci izmerili električni upor vzorcev pod različnimi pritiski in našli dokaze za superprevodnost do 276 K pri 15 kbar (arXiv: 2306.06301).

»Naše meritve se odlično ujemajo s tem, kar je navedeno v Narava papir,« je povedal Hemley Svet fizike. "Poleg tega je obseg padca celo večji od prejšnjih podatkov."

Hemley pravi, da teoretična analiza, ki jo je opravil on in njegovi kolegi, kaže, da je elektronska struktura Lu-NH "izjemna" (arXiv: 2305.18196).

"S temi nenehnimi odkritji ostaja iskanje superprevodnikov, ki delujejo pri sobni temperaturi ali celo nad njo, skupaj s prizadevanjem za stabilizacijo teh materialov blizu zunanjega tlaka, zelo razburljivo," dodaja.

Znanost bo trpela, če ne bomo ohranili akademske integritete

Toda Diasa so čakale še slabe novice. 1. septembra 2023 Narava objavljeno opomba urednika opozarja bralce, da Diasov dokument Lu-NH preiskujejo.

"Zanesljivost podatkov, predstavljenih v tem rokopisu, je trenutno pod vprašajem," Narava rekel. "Ko bo ta zadeva rešena, bodo sprejeti ustrezni uredniški ukrepi."

Po poročilu v Wall Street Journal konec septembra je osem od 11 avtorjev časopisa Lu-NH pisalo Tobiasu Rödelu, višjemu uredniku pri Narava, ki je zahteval umik prispevka in trdil, da Dias "ni ravnal v dobri veri v zvezi s pripravo in oddajo rokopisa".

Očitno jim je Rödel odgovoril v nekaj dneh in pripomnil: "Popolnoma se strinjamo z vašo zahtevo, da se dokument umakne." Zaenkrat so edini raziskovalci, ki se držijo svojih ugotovitev, Dias in dva njegova trenutna doktorska študenta.

David Ceperley z Univerze v Illinoisu, ki je napisal a Novice in ogledi članek za Narava o rezultatih Lu-NH pravi, da je "razočaran". Narava sploh ni opravil boljšega dela pri pregledovanju prispevka.

"Dobili smo le sprejeti rokopis in ne podatkovnih datotek ali komentarjev sodnikov," pravi. "Šele po izidu časopisa smo izvedeli za nekatere težave, ki bi jih lahko odkrili že prej."

Iti naprej

Kaj se bo zgodilo glede Diasove skupine, ni znano. Avgusta Univerza v Rochesterju objavil, da ponovno preiskuje Diasovo delo, čeprav ni znano, kdaj bo ta preiskava končana. "Na žalost je Diasovo nepremišljeno vedenje škodovalo ugledu področja in morda bo trajalo nekaj let, da se škoda popravi," pravi Boeri.

To stališče podpira fizik kondenzirane snovi James Hamlin z Univerze na Floridi, ki je pregledal nekaj dela Diasove skupine. "Res mislim, da je celotna saga škodljiva za znanost na splošno, raziskave superprevodnosti pa bolj in širše so gorivo za anti-znanstvene tipe," je povedal za Svet fizike. "Lahko bi vplivalo na financiranje raziskav visokega pritiska in to bi bilo obžalovanja vredno glede na to, da je bilo to tako plodno področje s toliko razburljivimi nedavnimi dogodki."

Hamlin prav tako meni, da bi morale znanstvenoraziskovalne revije razširiti svoje komunikacije tako, da bi vključevale vse avtorje prispevka in ne le ustreznega avtorja, ko se pojavi morebitna napačna raziskava. "Vsi avtorji so predmet morebitne škode za ugled zaradi obtožb o napačnem ravnanju, zato bi morali biti vsi avtorji že od samega začetka seznanjeni z ustreznimi sporočili urednikov," dodaja.

Kljub tem težavam delo na hidridih napreduje. Julija so Guangtao Liu z univerze Jilin na Kitajskem in njegovi sodelavci odkrili superprevodnost do 110 K pri tlaku 80 GPa v ternarnem hidridu LaBeH₈ (Fiz. Rev. Lett. 130 266001).

Končno prihaja superprevodnik sobne temperature, skrivnost detektorja temne snovi

Čeprav ta temperatura ni tako visoka, so te ternarne spojine vznemirljive, ker imajo širšo potencialno raznolikost struktur kot njihovi binarni bratranci, kar bi lahko razširilo materiale, ki so na voljo za visokotemperaturno superprevodnost. »Področje [raziskav hidridov] je zdravo in ima potencial, da v prihodnosti prinese veliko več prelomnih rezultatov,« dodaja Boeri.

Ceperley se strinja. "Še vedno menim, da ima hidridna superprevodnost dobre možnosti, da sčasoma zagotovi superprevodnik pri okoljskih pogojih, ki bi imel široko tehnološko uporabo," ugotavlja. "Prostor možnih spojin in metod izdelave je tako velik, da lahko traja nekaj časa, da jih najdemo."

Kar zadeva Diasa, ni želel komentirati tega članka, čeprav je v prejšnjih medijskih komentarjih dejal, da stoji za svojimi rezultati.

Julija Svet fizike celo ponudil objavo intervjuja z Diasom in mu poslal niz pisnih vprašanj prek Točka 30, PR agencija s sedežem v ZDA, ki deluje v Diasovem imenu. Kljub temu, da je privolil odgovoriti na vprašanja, se je Dias pozneje umaknil iz intervjuja.

Svet fizike je od takrat izvedel, da 30 Point ne deluje več z Diasom.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/superconductivity-damaged-as-researchers-look-to-move-on-from-retractions/