Nadprzewodniki to niezwykłe materiały, które są w stanie przewodzić elektryczność z zerową rezystancją, czyli przy całkowitym braku oporu elektrycznego. To sprawia, że energia elektryczna może płynąć przez nadprzewodniki z zerowymi stratami, obniżając koszty i ilość wydzielanego ciepła. W przypadku silników elektrycznych może to przełożyć się na uzyskanie motoru o bardzo wysokiej mocy i momencie obrotowym, niemal stuprocentowej sprawności i nie wymagającego chłodzenia. Ale zastosowań jest zdecydowanie więcej. Możliwość niemal bezstratnego przesyłu energii na wielkie odległości, budowa zdecydowanie bardziej wydajnych komputerów i maszyn elektrycznych czy wreszcie nadprzewodnikowej kolei magnetycznej to tylko niektóre z nich.
Pod koniec lipca światem naukowym wstrząsnęła sensacyjna wiadomość. Trzech badaczy z Korei Południowej (Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim i Young-Wan Kwon) ogłosiło odkrycie materiału LK-99, który miał być nadprzewodnikiem, zachowującym swoje właściwości w temperaturze pokojowej i przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym. Jakby tego było mało, miał on móc zachowywać je również w bardzo wysokich temperaturach - aż do ok. 127 stopni Celsjusza (dlaczego ta temperatura jest taka ważna - piszemy dalej w tym tekście).
Od razu stało się jasne, że - o ile wnioski koreańskiego zespołu są poprawne - LK-99 może przyczynić się do absolutnej rewolucji, przede wszystkim w energetyce, ale nie tylko. Nigdy bowiem do tej pory nikomu nie udało się stworzyć nadprzewodnika działającego w temperaturze bliskiej pokojowej. LK-99 był tym bardziej intrygujący, że stworzenie tego materiału - zdaniem badaczy z Korei - jest stosunkowo proste i tanie.
Preprint badania (czyli wstępna wersja pracy naukowej, która nie została jeszcze zrecenzowana i nie pojawiła się na łamach czasopisma naukowego) został opublikowany w bazie arXiv 22 lipca br. Od tamtej pory naukowcy z całego świata robili, co w ich mocy, aby - na podstawie opisu koreańskich badaczy - zsyntetyzować i przebadać LK-99.
Naukowcy uważają, że rewolucji jednak nie będzie. LK-99 nie jest nadprzewodnikiem?
Kolejne próby wciąż jednak pozostają bezskuteczne. Naukowe śledztwo - które dokładnie opisało czasopismo "Nature" wykazało, że euforia koreańskich naukowców była przedwczesna, bo LK-99 najprawdopodobniej nie jest nadprzewodnikiem. A przynajmniej wszystkie badania przeprowadzone do tej pory nie są w stanie potwierdzić jego nadprzewodnictwa.
LK-99 - jak opisali naukowcy z Korei w swojej pracy - jest otrzymywany syntetycznie z połączenia miedzi, ołowiu, fosforu i tlenu w odpowiednich proporcjach. Kilka zespołów, w tym z USA i Europy, zauważyło, że podczas wytworzenia LK-99 wytwarzane są liczne zanieczyszczenia, a przede wszystkim siarczek miedzi. Podejrzewają oni, że oryginalny materiał stworzony przez zespół Koreańczyków w rzeczywistości nie był czystym LK-99, stąd wykonane na nim eksperymenty mogły wprowadzić w błąd badaczy.
14 sierpnia inny zespół z Instytutu im. Maxa Plancka w Niemczech opublikował własną pracę, w ramach której udało mu się stworzyć czysty LK-99. Dzięki zastosowaniu specjalistycznych technik naukowcom udało się wykonać syntezę miedzi, ołowiu, fosforu i tlenu przy uniknięciu pojawienia się zanieczyszczeń w postaci siarki i w efekcie powstania siarczku miedzi w materiale. Wyprodukowane przez zespół fioletowe kryształy nie tylko nie wykazują żadnych oznak nadprzewodnictwa, ale i są izolatorami o ogromnej oporności liczonej w milionach omów. LK-99 według oryginalnego badania miał mieć z kolei rezystancję równą 0,002 (2/1000) oma. Mamy więc do czynienia z zupełnym przeciwieństwem przewodników.
To badanie chyba najbardziej dobitnie pokazuje, że sam materiał, który opisał w swojej pracy zespół z Korei, nie jest nadprzewodnikiem. Ten i inne grupy naukowców uważają, że nagłe spadki rezystywności charakterystyczne dla nadprzewodników i obserwowane przez Sukbae'a Lee, Ji-Hoona Kima i Young-Wana Kwona były efektem nie nadprzewodnictwa, ale obecności zanieczyszczeń siarczkiem miedzi w uzyskanym przez nich materiale.
LK-99 lewituje. Naukowców zmyliły zanieczyszczenia w materiale
Jak zatem wyjaśnić efekt Meissnera obserwowany w przypadku LK-99? To zjawisko zaniku (wypychania) pola magnetycznego, który występuje, gdy materiał przechodzi w stan nadprzewodnictwa. Efekt Meissnera sprawia, że nadprzewodniki mogą stabilnie lewitować nad magnesami, co stanowi podstawę do określenia, czy dany materiał jest nadprzewodnikiem.
Powodem, zdaniem badaczy, jest ten sam problem zanieczyszczeń obecnych w materiale LK-99, który powoduje nagłe spadki rezystywności tego materiału. Koreańscy fizycy na dowód opublikowali film przedstawiający lewitujący LK-99, ale wielu naukowców od razu wyrażało wątpliwości co do źródła tego efektu. W przeprowadzonych w ostatnich trzech tygodniach badaniach żaden z zespołów - któremu udało się odtworzyć materiał LK-99 - nie zaobserwował charakterystycznej dla nadprzewodników lewitacji. Ich zdaniem materiał koreańskich naukowców wykazuje raczej zachowanie będące wynikiem ferromagnetyzmu.
Wątpliwości budził również fakt, że fragment przedstawiającego na filmie materiału nie unosi się w całości nad magnesem, ale styka z nim jednym krańcem. Na dodatek nie zachowuje się stabilnie, ale dziwnie chybocze się nad magnesem. Nadprzewodniki można natomiast obracać w powietrzu lub nawet przekręcić do góry nogami. Derrick VanGennep, badacz z Uniwersytetu Harvarda dla porównania wykonał dysk ze sprasowanych wiórów grafitu i opiłków żelaza. Uzyskany przez niego materiał, wykazujący właściwości ferromagnetyczne, zachowywał się nad magnesem w sposób bardzo zbliżony do LK-99 z filmu koreańskiego zespołu.
Zarówno VanGennep, jak i część pozostałych badaczy zajmujących się tematem uważają, że to zanieczyszczenia materiału stworzonego przez koreański zespół są powodem właściwości ferromagnetycznych LK-99. Jednocześnie odpowiadają za efekt lewitacji nad magnesem.
Wielka rola nadprzewodników. LK-99 mógłby być absolutną rewolucją
Dlaczego jednak dziesiątki naukowców z całego świata włożyły tyle wysiłku, aby potwierdzić lub wykluczyć nadprzewodnictwo akurat LK-99? Nadprzewodnikami mogą być niektóre pierwiastki lub związki, o ile tylko uda się schłodzić je poniżej pewnej temperatury, nazywanej temperaturą krytyczną. Jest ona oczywiście różna dla każdego materiału, ale zawsze bardzo niska, często bliska wręcz zera absolutnego (0 K, czyli −273,15 stopnia Celsjusza). Naukowcy od dekad szukają sposobów na znalezienie nadprzewodników zachowujących swój stan w temperaturach, które pozwalałyby na szersze zastosowanie ich w praktyce.
Przełom w tej dziedzinie nastąpił w 1986 roku, gdy niemiecki badacz Johannes Georg Bednorz i szwajcarski fizyk Karl Alexander Müller odkryli pierwsze nadprzewodniki wysokotemperaturowe (czyli zachowujące swoje właściwości w temperaturach powyżej 35 K / -238 st. C). Obaj naukowcy za swoje odkrycie już rok później otrzymali Nagrodę Nobla. Późniejsze badania pozwoliły znaleźć materiały wykazujące nadprzewodnictwo w jeszcze wyższych temperaturach.
Część nadprzewodników wysokotemperaturowych może zachowywać swoje właściwości w znacznie wyższych temperaturach (np. ok. -120 st. C), ale za to przy ekstremalnym ciśnieniu. To sprawia, że utrzymywanie nadprzewodników w stanie nadprzewodnictwa jest kosztowne energetycznie (dlatego nieopłacalne) i często uniemożliwia skorzystanie z dobrodziejstw takiego materiału w wielu zastosowaniach praktycznych lub wyklucza sens takiego zastosowania.
To dlatego tak wielkie wrażenie na świecie naukowym zrobiły wynika koreańskich badań. Wielu naukowców podkreślało, że - o ile tylko właściwości LK-99 się potwierdzą - materiał ten może doprowadzić do ogromnej rewolucji, może nawet porównywalnej do tej przemysłowej. Wszystko wskazuje jednak na to, że na razie musimy porzucić marzenia o nadprzewodniku zachowującym swoje właściwości w temperaturze pokojowej.
