Wetenschappers hebben een nieuwe supergeleider ontdekt bij kamertemperatuur

Deze week kondigden wetenschappers een opwindende vooruitgang aan in de richting van de droom van een materiaal dat gemakkelijk elektriciteit kan geleiden in alledaagse omstandigheden. Een doorbraak als deze kan bijna elke technologie die gebruik maakt van elektrische energie transformeren, waardoor er nieuwe mogelijkheden ontstaan ​​voor je telefoon, magnetische treinen en toekomstige energiefusiestations.

Normaal gesproken ondervindt de elektriciteitsstroom weerstand wanneer deze door de draden beweegt, bijna als een vorm van wrijving, en een deel van de energie gaat verloren als warmte. Een eeuw geleden ontdekten natuurkundigen materialen, nu supergeleiders genoemd, waarin elektrische weerstand schijnbaar op magische wijze verdween. Maar deze materialen verloren hun weerstand pas bij zeer lage temperaturen, wat de praktische toepassingen beperkte. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar supergeleiders die bij kamertemperatuur werken.

De aankondiging van deze week is de laatste poging in die poging, maar het komt van een team dat te maken heeft met wijdverspreide scepsis omdat een paper uit 2020 waarin een supergeleidend materiaal werd beschreven als veelbelovend maar minder praktisch, was. zich terugtrekken Nadat andere wetenschappers enkele gegevens in twijfel trokken.

De nieuwe supergeleider is gemaakt van lutetium, een zeldzaam aardmetaal, en waterstof met een klein beetje stikstof erin gemengd. Het heeft een druk van 14.500 psi nodig voordat het zijn supergeleidende vermogen krijgt. Dit is ongeveer 10 keer de druk die wordt uitgeoefend op de bodem van de diepste oceaangeulen.

Maar het is ook minder dan een honderdste van wat het resultaat van 2020 vereiste, wat vergelijkbaar was met de brekende krachten die duizenden kilometers diep in de aarde werden gevonden. Dit geeft aan dat verder onderzoek van het materiaal zou kunnen leiden tot een supergeleider die werkt bij kamertemperatuur en bij de typische atmosferische druk van 14,7 psi.

“Dit is het begin van een nieuw type materiaal dat nuttig is voor praktische toepassingen”, vertelde Ranga P. Dias, een professor in werktuigbouwkunde en natuurkunde aan de Universiteit van Rochester in New York, dinsdag aan een kamer vol wetenschappers. Op een bijeenkomst van de American Physical Society in Las Vegas.

Het was een volledige boekhouding van de resultaten van zijn team Woensdag gepubliceerd in Naturehetzelfde tijdschrift dat de resultaten van 2020 heeft gepubliceerd en vervolgens heeft ingetrokken.

Het team in Rochester begon met kleine, dunne vlokken lutetium, een zilverwit metaal dat tot de zeldzaamste zeldzame aardmetalen behoort, en perste ze samen tussen twee in elkaar grijpende diamanten. Vervolgens werd een gas van 99 procent waterstof en 1 procent stikstof in de kleine kamer gepompt en onder hoge druk eruit geperst. Het monster werd een nacht verwarmd op 150 graden Fahrenheit en na 24 uur werd de druk afgelaten.

Ongeveer een derde van de tijd leverde het proces het gewenste resultaat op: een klein, levendig blauw kristal. “Het is niet zo eenvoudig om de stikstof in lutetiumhydride te krijgen,” zei Dr. Dias.

In een laboratoriumruimte van de Universiteit van Rochester die wordt gebruikt door de groep van Dr. Dias, demonstreerde afgestudeerde student Hiranya Basan de verrassende variabele eigenschap van materialen tijdens het bezoek van een verslaggever vorige week. Terwijl de schroeven werden aangedraaid om de druk te verhogen, werd het blauw rood.

“Het is erg roze,” zei Dr. Dias. Met hogere druk, zei hij, “wordt het felrood.”

Door met een laser door de kristallen te schijnen, bleek hoe ze trillen en ontgrendelde informatie over de structuur.

In een andere kamer deden andere leden van het team van Dr. Dias magnetische metingen aan andere kristallen. Terwijl de temperaturen daalden, verschenen de geprojecteerde kabouters in de gegevens die op het computerscherm waren uitgezet, wat de overgang naar een supergeleider aangeeft.

“Dat is een directe meting die we nu doen”, zei Dr. Dias.

In de krant melden de onderzoekers dat de roze kristallen de belangrijkste eigenschappen van supergeleiders vertoonden, zoals nulweerstand, bij temperaturen tot 70 graden Fahrenheit.

“Ik ben voorzichtig optimistisch”, zegt Timothy Strobel, een wetenschapper aan de Carnegie Institution for Science in Washington die niet betrokken was bij het onderzoek van Dr. Dias. “De gegevens in de krant zien er geweldig uit.”

“Als dit echt is, is het een heel, heel belangrijke doorbraak”, zegt Paul CW Chu, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Houston, die ook niet betrokken was bij het onderzoek.

Het ‘als’-gedeelte van dat sentiment draait echter om Dr. Dias, die wordt achtervolgd door scepticisme, kritiek en zelfs beschuldigingen van sommige wetenschappers dat hij sommige van zijn gegevens heeft verzonnen. De bevindingen van de Nature-paper uit 2020 zijn niet overgenomen door andere onderzoeksgroepen, en critici zeggen dat dr. Dias traag is geweest om anderen zijn gegevens te laten onderzoeken of onafhankelijke analyses van zijn supergeleiders uit te voeren.

De redacteuren van Nature hebben vorig jaar het vorige artikel ingetrokken vanwege de bezwaren van Dr. Dias en de andere auteurs.

“Ik heb enig vertrouwen verloren in wat er uit die groep komt”, zegt James Hamlin, professor natuurkunde aan de Universiteit van Florida.

Het nieuwe artikel is echter geslaagd voor het peer review-proces in hetzelfde tijdschrift.

Een woordvoerster van Nature zei: “Het intrekken van een onderzoekspaper diskwalificeert de auteur niet automatisch van het indienen van nieuwe manuscripten.” “Alle ingediende manuscripten worden onafhankelijk beoordeeld op basis van de kwaliteit en actualiteit van hun kennis.”

Op de conferentie van dinsdag in Las Vegas dromden zoveel natuurkundigen samen in een krappe vergaderruimte dat een moderator sommigen vroeg om te vertrekken, zodat ze de presentatie niet hoefden te annuleren. Toen de kamer eenmaal was uitgedund, kon Dr. Dias zijn bevindingen zonder onderbreking presenteren. Terwijl hij het publiek bedankte, klaagde de moderator dat ze geen tijd meer hadden om vragen te stellen.

Dr. Strobel erkende de voortdurende controverse rond Dr. Dias en de eerdere ongebruikelijke beweringen die nog moeten worden gereproduceerd.

“Ik wil er niet te veel in lezen, maar er zou hier een gedragspatroon kunnen zijn,” zei Dr. Strobel. “Hij zou echt de beste hyperbare natuurkundige ter wereld kunnen zijn, die op het punt staat een Nobelprijs te winnen. Of er is iets anders aan de hand.”

onder druk

Supergeleiding werd ontdekt door de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes en zijn team in 1911. Supergeleiders dragen niet alleen elektriciteit zonder elektrische weerstand, maar ze bezitten ook een vreemd vermogen dat bekend staat als het Meissner-effect dat ervoor zorgt dat er geen magnetisch veld in een materiaal is. .

De eerste bekende supergeleiders vereisten temperaturen van een paar boven het absolute nulpunt, of minus 459,67 graden Fahrenheit. In de jaren tachtig ontdekten natuurkundigen zogenaamde hoge-temperatuursupergeleiders, maar zelfs die supergeleiders worden onder omstandigheden die veel koeler zijn dan die we in het dagelijks gebruik tegenkomen.

De standaardtheorie die supergeleiding verklaart, voorspelt dat waterstof supergeleidend zou moeten zijn bij hogere temperaturen als het hard genoeg kan worden samengedrukt. Maar zelfs de meest veerkrachtige diamant breekt voordat hij spanningen van deze omvang kan bereiken. Wetenschappers begonnen te kijken naar waterstof vermengd met een ander element, denkend dat chemische bindingen zouden kunnen helpen de waterstofatomen te comprimeren.

In 2015 meldde Mikhail Eremets, een natuurkundige aan het Max Planck Instituut voor Chemie in Mainz, Duitsland, dat waterstofsulfide – een molecuul bestaande uit twee waterstofatomen en één zwavelatoom – bij 94 graden Fahrenheit onder druk transformeerde in een supergeleider wanneer het werd samengeperst tot ongeveer 22 Mn. pond per vierkante inch. Dit was destijds een recordhoge temperatuur voor een supergeleider.

Dr. Eremets en andere wetenschappers ontdekten later dat lanthaanhydride – een verbinding die waterstof en lanthaan bevat – onder zeer hoge druk een supergeleidende temperatuur van minder dan 10 graden Fahrenheit bereikte.

In het onderzoek dat wordt beschreven in het ingetrokken artikel uit 2020, gebruikte de groep van Dr. Dias waterstof, zwavel en koolstof. De wetenschappers zeiden dat ze door middel van drie elementen de elektronische eigenschappen van de verbinding konden aanpassen om supergeleiding bij hoge temperatuur te bereiken.

Niet iedereen geloofde het echter.

De belangrijkste tegenstander van Dr. Dias is Jorge Hirsch, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Californië, San Diego. Hij concentreerde zich op metingen van de groep van Dr. Dias van de reactie van een verbinding van koolstof, zwavel en waterstof op fluctuerende magnetische velden, wat het bewijs is van het Meissner-effect. De plot in de krant zag er erg schoon uit en de wetenschappers legden niet uit hoe ze achtergrondinvloeden in de plot uitsloten.

Toen Dr. Dias de onderliggende onbewerkte gegevens vrijgaf, zei Dr. Hirsch, gaf zijn analyse aan dat ze waren gegenereerd door een wiskundige formule en niet echt konden worden gemeten in een experiment. “Met analogie krijg je geen analytische formules”, zei dr. Hirsch. “Je krijgt cijfers met ruis.”

Zijn klachten over Dr. Dias werden zo hardnekkig en intens dat anderen in het veld een brief verspreidden waarin ze klaagden over het decennialange verstorende gedrag van Dr. Hirsch.

Dr. Hirsch is een showman in een porseleinkast die zich richt op de BCS-theorie, die in 1957 werd bedacht door drie natuurkundigen – John Bardeen, Leon N. Cooper en J. Robert Shriver – om uit te leggen hoe supergeleiding werkt. In veel opzichten, zegt hij, is BCS een ‘leugen’, die het Meissner-effect niet kan verklaren. Hij kwam met zijn eigen alternatieve verklaring.

Dr. Hirsch zei met name dat er geen supergeleiding kan zijn in een van deze hogedrukmaterialen omdat waterstof geen supergeleider kan zijn. Hij heeft een paar bondgenoten.

Terwijl Dr. Hirsch voorzichtig zegt dat andere wetenschappers dan Dr. Dias geen wangedrag begaan, zegt hij dat ze zichzelf voor de gek houden.

“Naar mijn mening worden stukjes conclusies”, zei hij.

weerstand en voortplanting

Dr. Hamlin van de Universiteit van Florida dook ook in de magnetische metingen en zei dat het leek alsof de onbewerkte gegevens waren afgeleid van gepubliceerde gegevens in plaats van andersom.

Dr. Hamlin was ook verontrust toen hij ontdekte dat verschillende passages uit zijn proefschrift, dat hij in 2007 schreef, woord voor woord in het proefschrift van Dr. Dias waren verschenen.

D weigert. Dias bleef kritiek leveren en zegt dat zijn groep uitleg heeft gegeven. “Het voelde gewoon als achtergrondgeluid,” zei hij. “We proberen onze wetenschap vooruit te helpen.”

Hij zei dat hij nog steeds vasthoudt aan de eerdere bevindingen en dat de woensdagkrant een nieuwe techniek gebruikte voor de magnetische metingen. Hij zei dat de krant vijf controlerondes door recensenten heeft ondergaan en dat alle ruwe gegevens achter de bevindingen zijn gedeeld.

“Het is weer terug in de natuur,” zei Dr. Dias. “Dus dat zegt je iets.”

Na twee universitaire onderzoeken zei Sarah Miller, een woordvoerster van de Universiteit van Rochester: “Er is vastgesteld dat er geen bewijs is om deze zorgen te ondersteunen.” Het zei ook dat de universiteit “de kwestie van het intrekken van de Nature-paper in september 2022 had overwogen en tot dezelfde conclusie was gekomen”.

Wat betreft een transcriptie van het proefschrift van Dr. Hamlin, zei Dr. Dias dat hij citaten had moeten opnemen. “Het was mijn schuld,” zei Dr. Dias.

Doe de prepress-metingen van koolstof, zwavel en waterstof opnieuw van de ingetrokken 2020-krant circuleert nu, maar zelfs dat roept vragen op. “Ze verschillen enorm van de originele metingen,” zei Dr. Strobel. “Je zou kunnen beweren dat ze de resultaten niet zelf hebben gereproduceerd.”

Omdat het nieuwe op lutetium gebaseerde materiaal supergeleidend is bij veel lagere drukken, zullen veel andere onderzoeksgroepen kunnen proberen het experiment te reproduceren. Dr. Dias zei dat hij een nauwkeuriger recept wil geven voor het maken van de verbinding en het delen van monsters, maar problemen met intellectueel eigendom moeten eerst worden opgelost. Hij heeft een bedrijf opgericht, Unearthly Materials, dat van plan is onderzoek om te zetten in winst.

Dr. Strobel zei dat hij zal beginnen met werken zodra hij terugkomt van de conferentie in Las Vegas. “We kunnen letterlijk binnen een dag een resultaat krijgen”, zei hij.

Dr. Hirsch zei ook dat hij verwacht dat er snel antwoorden komen. “Als dit waar is”, zei hij, “bewijst dat dat mijn werk van de afgelopen 35 jaar ongelijk heeft.” “Waar ik heel blij mee zou zijn, omdat ik het zou weten.”

Dr. Hirsch voegde eraan toe: “Maar ik denk dat ik gelijk heb en dat het fout is.”

Kimberly McGee Bijgedragen rapportage vanuit Las Vegas.