Загадка южнокорейского «комнатного сверхпроводника» LK-99 разгадана в рекордные сроки. Мировое научное сообщество не могло пройти мимо такой «сенсации», а накопленный в поисках высокотемпературной сверхпроводимости опыт позволил быстро повторить эксперимент южнокорейских учёных и оценить его с точки зрения теории.
Чистейшие кристаллы LK-99, выращенные немецкими учёными. Источник изображения: Pascal Puphal
Увы, судя по всему, революция в сверхпроводимости откладывается. Два основных индикатора сверхпроводимости — это левитация в магнитном поле (эффект Мейсснера) и резкое падение удельного сопротивления току — были объяснены с позиций обычной физики и не имеют никакого отношения к сверхпроводимости. Южнокорейских учёных подвели загрязнённые примесями образцы и ограниченные знания в ряде областей химии.
Вкратце напомним, что в конце июля группа южнокорейских учёных выложила на сайт препринтов научных статей две работы на английском языке, в которых рассказала о сенсационном открытии материала LK-99, который обладал сверхпроводимостью при комнатной температуре и обычном давлении. Подобное открытие очень сильно изменило бы наш мир. По крайней мере в энергетике, где потери от транспортировки электричества очень и очень велики и постоянно растут. Одна из статей была дополнена теоретическими выкладками, которые выглядели достаточно убедительно, чтобы к открытию отнеслись со всем вниманием.
Первые попытки синтезировать LK-99 независимыми группами дали противоречивый результат. Кто-то увидел «левитацию», у кого-то получилось измерить нулевое сопротивление току при комнатных температурах, а у кого-то и вовсе ничего не получилось. Не обошлось и без фейков, что только добавило путаницы. Серьёзной проблемой для независимого синтеза LK-99 стало то, что авторы исследования не предоставили детального описания синтеза абсолютно чистого материала и, судя по всему, сами стали жертвой собственной оплошности.
Следует сказать, что современные теоретические инструменты позволяют моделировать электронную и атомарную структуры материалов и очень точно описывать их химические и физические свойства. Но при наличии неизвестных по объёму и составу примесей такие расчёты обычно ошибочны, что, похоже, произошло в случае с LK-99. По горячим следам этот материал был проверен с помощью теории функционала плотности и отчасти подтверждал открытие южнокорейской команды. Как сегодня становится понятно, теоретиков подвели исходно ошибочные данные экспериментаторов.
Точку в «сверхпроводимости» LK-99 поставили учёные из Института исследования твердого тела Макса Планка в Штутгарте (Германия). Они вырастили кристаллы LK-99, а не синтезировали его методом отжига, как это сделали корейцы. Выращивание позволило избежать появления примесей в материале и, прежде всего, сульфида меди (Cu2S), который, как становится ясно, и стал причиной «сенсационного» открытия.
Сверхчистый материал LK-99 (Pb8.8Cu1.2P6O25) оказался не сверхпроводником, а очень даже хорошим изолятором. При этом материал проявлял некоторые свойства ферромагнетизма и диамагнетизма, но совершенно недостаточные даже для частичной левитации.
«Поэтому мы исключаем наличие сверхпроводимости, — заключили авторы. — Когда у нас есть монокристаллы, мы можем чётко изучать внутренние свойства системы». Опираясь на визуализацию электронной структуры чистого материала, немецкие исследователи показали, что она не допускает проявления сверхпроводимости, а её признаки в южнокорейском эксперименте, скорее всего, проявлялись за счёт наличия в образцах примесей сульфида меди.
Отдельно о свойствах сульфида меди высказался другой учёный — химик Прашант Джайн (Prashant Jain ) из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне. Он указал, что температура 104,8 °C, при которой корейцы фиксировали десятикратное падение удельного сопротивления материала примерно с 0,02 Ом/см до 0,002 Ом/см — это температура фазового перехода сульфата меди. Естественно, что при фазовом переходе сопротивление материала меняется, о чём южнокорейские учёные должны были бы знать.
Тем самым загрязнение образцов LK-99 примесями в техпроцессе «на коленке» и незнание некоторых аспектов их химического поведения привели к тому, что южнокорейские учёные приняли желаемое за действительное — увидели в двух случайных признаках сверхпроводимость, которой там не было.