O.S.E.L. - Převratná studie o materiálu supravodivém za běžných podmínek sklízí kritiku
 Převratná studie o materiálu supravodivém za běžných podmínek sklízí kritiku
Fyziky vzrušily dva články zveřejněné před několika dny. Popisují překvapivé fyzikální vlastnosti materiálu nenáročného na laboratorní syntézu nebo suroviny. Má však potenciál vyvolat velkou technologickou revoluci. Kdyby se výsledky potvrdily. Jenže supravodivost za pokojové teploty a při atmosférickém tlaku připomíná spíše kauzu studené jaderné fuze probíhající v běžných laboratorních podmínkách.

Broušený přírodní modrý apatit z Brazílie. Není sice supravodivý, ale je krásný. Kredit: Didier Descouens, Wikimedia Commons, CC BY 3.0
Broušený přírodní modrý apatit z Brazílie. Není sice supravodivý, ale je krásný. Kredit: Didier Descouens, Wikimedia Commons, CC BY 3.0

Na server arXiv mnozí vědci umísťují a k případné široké odborné diskuzi předkládají preprintové, zatím nerecenzované verze článků. Velká část z nich si po recenzním kolečku najde cestu do některého z karentovaných časopisů. Takový volný přístup však umožňuje, že občas někdo na arXiv umístí něco jako bombu a nejde zpočátku jednoznačně rozhodnout, jestli jde o vskutku explozivní nálož, nebo jen o imitaci, která sice vzbudí pozornost a rozproudí vášnivější debatu, ale k novým poznatkům přispěje jen tím, že odhalí slepou uličku, kudy cesta dál nevede.

 

Laboratorně syntetizovaný olovnatý apatit LK-99 Kredit: Sukbae Lee et al: The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor, arXiv 2023
Laboratorně syntetizovaný olovnatý apatit LK-99 Kredit: Sukbae Lee et al: The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor, arXiv 2023

Před několika dny takovou potenciální vědeckou bombu na arXivu vložili (zde) tři jihokorejští vědci z Výzkumného centra pro kvantovou energii a z instituce, jejíž název lze popisně přeložit jako Postgraduální škola zaměřená na sbližování vědy a technologií (Graduate School of Converging Science and Technology). Obě vědecká pracoviště sídlí v Soulu. Třílístek svou prací udělal první, ale celkem dlouhý krok k Nobelově ceně, samozřejmě jen když se ukáže, že se nemýlí, když tvrdí, že se mu v laboratoři podařilo syntetizovat materiál, jenž je supravodičem nejen při pokojové teplotě, ale i za běžného tlaku. Jednoduše supravodič, který nepotřebuje žádné speciální, energeticky náročné podmínky. Navíc jde o sloučeninu relativně dostupných prvků – fosfor, kyslík, olovo a něco mědi. Jak se říká, „no nekup to“.

Závislost rezistivity na teplotě. Všimněte si průběh spodní křivky. Kredit: Sukbae Lee et al: Superconductor Pb10-xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism, arXiv 2023
Závislost rezistivity na teplotě. Všimněte si průběh spodní křivky. Kredit: Sukbae Lee et al: Superconductor Pb10-xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism, arXiv 2023

 

A aby svůj převratný objev zdůraznili a podepřeli jeho důvěryhodnost, spojila se dvojice ze zmíněného Výzkumného centra pro kvantovou energii s dalšími čtyřmi jihokorejskými kolegy, aby výsledky předložili v jiné formě podruhé – opět v podobě článku na arXivu (zde). V něm se lze podrobněji dočíst trochu více o laboratorní syntéze materiálu s nečekanými, v podstatě zázračnými vlastnostmi, který nazývají olovnatým apatitem a označili LK-99, prý podle iniciál křesných jmen objevitelů (Sukbae Lee a Jihoon Kim) a roku, kdy se jim ho povedlo poprvé vytvořit.


Je nezpochybnitelné, že kdyby nezávislé výzkumy potvrdily závěry obou zmíněných článků, bomba bouchne a Korejci budou slavní. Hodně slavní. Jestli se ale prokáže opak, pak si naběhli na vidle dosti trapného omylu, jenž jejich vědecké reputaci neprospěje. A fyzikové jsou – jemně řečeno skeptičtí. Uplynulo jen několik dnů a na arXiv se objevila publikace (zde) čínských vědců z Fakulty materiálových věd a inženýrství, Univerzity Beihang v Pekingu. V článku popisují svůj výzkum, kterým chtěli replikovat, a tedy prověřit výsledky Jihokorejců. Žel neúspěšně, což odborníky na supravodivé materiály jistě nepřekvapilo. Nicméně Číňané netvrdí, že se Korejci jistojistě mýlí, jen uvádějí, jak jejich snaha o dosažení stejných výsledků selhala.


Co za materiál by měl být supravodivý i za běžných podmínek? Jak bylo zmíněno, vědci ze Soulu o něm píší jako o olovnatém apatitu. Od přírodního minerálu se liší složením i vzhledem. V geologii pojem apatit označuje skupinu barevně různorodých, ale chemicky blízkých odrůd minerálu, jenž je ve své podstatě fosforečnanem vápenatým s proměnlivou příměsí fluóru, chlóru nebo hydroxylové skupiny OH-. Chemické složení lze zjednodušeně zapsat sumárním vzorcem Ca5[(F, Cl, OH)|(PO4)3], přičemž výjimečně může docházet i k substituci některých atomů vápníku kationy jiných kovů. Vědci vypěstovaný tmavošedý, téměř černý apatit namísto vápníku obsahuje zejména olovo a sem-tam atom mědi, jak dokládá sumární vzorec Pb10-xCux(PO4)6O.

 

K jeho umělé syntéze vede několik kroků:

Plátek olovnatého apatitu LK-99 částečně levitující nad magnetem při pokojové teplotě. Projev supravodivosti nebo diamagnetických vlastností? Kredit: Sukbae Lee et al: Superconductor Pb10-xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism, arXiv 2023
Plátek olovnatého apatitu LK-99 částečně levitující nad magnetem při pokojové teplotě. Projev supravodivosti nebo diamagnetických vlastností? Kredit: Sukbae Lee et al: Superconductor Pb10-xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism, arXiv 2023

1/ Práškový oxid olovnatý PbO a síran olovnatý PbO a PbSO4 byly ve stejném poměru smíchány a směs pak po dobu 24 hodin zahřívána v peci na teplotu 725 °C. Výsledkem reakcí byla sloučenina Pb2(SO4)O, v přírodě známá jako minerál lanarkit.


2/ Směs práškového fosforu a mědi byla ve vakuované zkumavce udržovaná při teplotě 550 °C po dobu 48 hodin, což vedlo k vzniku krystalků fosfidu Cu3P.


3/ Směs na prášek rozdrceného lanarkitu z kroku 1 a fosfidu měďného z kroku 2 byla ve vakuované trubici udržována po dobu několika hodin (5 až 20) při teplotě 925 °C. Přítomna síra ze síranu se v průběhu reakce odpařila. Zbyl výsledný produkt – kýžený LK-99, tedy Pb10-xCux(PO4)6O se šestereční (hexagonální) vnitřní strukturou, jakou má i přírodní apatit.


To, co je ale na šedočerné krystalické hmotě nejzajímavější, je kritická teplota, tedy horní teplotní limit, pod nímž elektrický proud prochází supravodivým materiálem prakticky bez odporu. Zatímco u supravodičů za běžného tlaku je tato kritická teplota blízká absolutní nule, při LK-99 je prý vyšší než 400 K, tedy 126,85 °C! Nicméně i pro laika je dost zarážející, že graf rezistivity čili měrného elektrického odporu uvedený v článku v obr. č.5 (také 3. obrázek v tomto textu) začíná při 24 °C a osa x je dělena po 4 °C. Z křivky měření vyplývá, že odpor je do teploty přibližně 30–32 °C nulový, pak mírně stoupne, aby pak kolem 44 °C opět klesl k nule. Mezi 60 °C a 90 °C mírně plynule stoupá, pak se do 104,8 °C ustálí na hodnotě asi 2 setiny Ω·cm, pak prudce vzroste na více než stonásobek.

Plátek olovnatého apatitu syntetizovaný čínskými vědci nebyl permanentním magnetem nijak odpuzován. Kredit: Li Liu et al: Semiconducting transport in Pb10-xCux(PO4)6O sintered from Pb2SO5 and Cu3P, arXiv 2023
Plátek olovnatého apatitu syntetizovaný čínskými vědci nebyl permanentním magnetem nijak odpuzován. Kredit: Li Liu et al: Semiconducting transport in Pb10-xCux(PO4)6O sintered from Pb2SO5 and Cu3P, arXiv 2023

 

Dalším pádným argumentem korejských vědců pro supravodivost LK-99 je levitace malého kruhového plátku tohoto materiálu v magnetickém poli silného magnetu za běžných pokojových podmínek. U supravodivých materiálů ochlazených pod kritickou teplotu dochází k takzvanému Meissnerovu jevu – k aktivnímu vytěsňování externího magnetického pole, takže siločáry začnou supravodič obtékat a nepronikají do hloubky větší než asi 20 nanometrů pod jeho povrch. To supravodič od magnetu odtlačuje a při vhodně zvolené kombinaci rozměrů, tvarů a síly působícího magnetického pole odpuzování se projeví levitací.


Nemá pro účel tohoto textu zabývat se dalšími podrobnostmi jihokorejských studií, které s nemalou pravděpodobností zapadnou časem do zapomnění. Hned po zveřejnění se ozvaly kritické hlasy, ale až výše zmíněna práce čínských vědců je prvním zdokumentovaným prověřením s předloženými výsledky replikovaných experimentů. Pekingští výzkumníci nejen zopakovali syntézu olovnatého apatitu LK-99, ale měřili elektrické vlastnosti i jednotlivých meziproduktů.


Když získali výslednou sloučeninu Pb10-xCux(PO4)6O, vytvořili z jeho prášku zpevněné vzorky ve tvaru kruhových plátků vhodných pro měření elektrického odporu a pro pokusy v magnetickém poli. Měřením rezistivity při pokojové teplotě získali hodnoty přibližně ~1,94×104 Ω.cm, a to je, slovy samotných autorů, „nejméně o 7 řádů více než odpor kovů při pokojové teplotě, protože většina kovových materiálů má při pokojové teplotě rezistivitu menší než 10-3 Ω.cm. Z toho vyplývá, že Pb10-xCux(PO4)6O je spíše polovodič než kov.“

Živá žába levituje v otvoru solenoidu generujícího magnetické pole o síle asi 16 Tesla v Nijmegen High Field Magnet Laboratory. Není v supravodivém stavu, jen její tkáň je diamagnetická, tedy generuje slabé "protipole" působící proti silnému vnějšímu. Kredit: Lijnis Nelemans, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
Živá žába levituje v otvoru solenoidu generujícího magnetické pole o síle asi 16 Tesla v Nijmegen High Field Magnet Laboratory. Není v supravodivém stavu, jen její tkáň je diamagnetická, tedy generuje slabé "protipole" působící proti silnému vnějšímu. Kredit: Lijnis Nelemans, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

 

Čínským vědcům se nepodařilo potvrdit ani levitační pokusy: „Když jsme tabletovou peletu Pb10-xCux(PO4)6O položili na komerční magnet Nd2Fe14B, nepocítili jsme žádné odpuzování a nebyla pozorována ani žádná magnetická levitace.“ Nenaměřili ani výrazné diamagnetické vlastnosti, o jakých referují Korejci. Naproti tomu v silném magnetickém poli (0,5 Tesla) zjistili paramagnetickou odezvu svých vzorků.

V závěru čínští vědci uvádějí:


„Stručně shrnuto, na základě velmi vzrušujícího tvrzení o supravodivosti modifikovaného olovnatého apatitu při pokojové teplotě a za atmosférického tlaku jsme úspěšně syntetizovali lanarkit Pb
2SO5, fosfid mědi Cu3P i modifikovaný olovnatý apatit Pb10-xCux(PO4)6O. U těchto materiálů byly komplexně prozkoumány jejich elektrické a magnetické vlastnosti. Naše výsledky ukazují, že modifikovaný olovnatý apatit Pb10-xCux(PO4)6O je polovodičem s velkou rezistivitou při pokojové teplotě v řádu 104 Ω.cm, nikoli supravodič.

Tyto výsledky naznačují, že tvrzení o rezistivitě při pokojové teplotě u Pb10-xCux(PO4)6O vyžaduje pečlivé opětovné přezkoumání, a to zejména z hlediska vodivosti. Pevně věříme, že se brzy objeví další výzkumy v této oblasti od jiných skupin z celého světa a doufáme, že naše vlastní experimentální výsledky uvedené v této práci mohou být užitečné při objasnění vzrušujících zpráv.“

##seznam_reklama##

 

Výsledky z Pekingu zpochybňují senzační závěry vědců ze Soulu. I když se to dalo očekávat, přesto protichůdné výsledky levitačních experimentů jsou matoucí. Bez ohledu na to, jestli se korejský plátek nad magnetem částečně vznášel v důsledku Meissnerova efektu potvrzujícího supravodivost, nebo jen kvůli diamagnetickým vlastnostem materiálu se zápornou magnetickou susceptibilitou. Jednoduše se však nadnášel, zatímco ten čínský ne, i když měl mít stejné chemické složení. Je rozdíl ve vnitřní struktuře? Kdoví. Jistě by bylo zajímavým počinem, kdyby Korejci dali k dispozici své vzorky olovnatého apatitu k podrobnému výzkumu i pracovištím, které hodlají jejich převratná zjištění prověřit. Kvůli porovnání s vlastními vzorky při všech měřeních.


Video: „Supravodič“ LK-99 vykazující levitaci při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku. Na začátku videa je záznam částečné levitace olovnatého apatitu z originální dokumentace jihokorejských vědců. Poté autor videa nabízí shrnutí výzkumu.

(Je dobré připomenout, že ne každé YT video je důvěryhodné. Objevila se i krátká videa, v nichž někdo předvádí kousek „levitujícího“ prý LK-99, který prý vytvořili vědci čínské Huazhong University ve Wuhanu. Videa jsou soukromá, nekvalitní, bez odkazu na nějaký výzkum, bez komentáře. Pravděpodobně jde o cílený hoax.)

1

 

Video: LK-99 - nový supravodič při pokojové teplotě? V první asi třetině videa německá teoretická fyzička Sabina Hossenfelderová kriticky komentuje popsaný výzkum. (Video je v angličtině, zveřejněno 31. 7. 2023)

 

Literatura: arXiv 1, 2, 3 – volně dostupné články v pdf


Autor: Dagmar Gregorová
Datum:02.08.2023