Gli scienziati hanno scoperto un nuovo superconduttore a temperatura ambiente

Questa settimana, gli scienziati hanno annunciato un entusiasmante progresso verso il sogno di un materiale in grado di condurre facilmente l’elettricità nelle condizioni quotidiane. Una svolta come questa potrebbe trasformare quasi tutte le tecnologie che utilizzano l’energia elettrica, aprendo nuove possibilità per il tuo telefono, i treni magnetici e le future stazioni di fusione di energia.

Normalmente, il flusso di elettricità incontra resistenza mentre si muove attraverso i fili, quasi come una forma di attrito, e parte dell’energia viene persa sotto forma di calore. Un secolo fa, i fisici scoprirono materiali, ora chiamati superconduttori, in cui la resistenza elettrica apparentemente scomparve magicamente. Ma questi materiali hanno perso la loro resistenza solo a temperature molto basse, il che ha limitato le applicazioni pratiche. Per decenni, gli scienziati hanno cercato superconduttori che funzionino a temperatura ambiente.

L’annuncio di questa settimana è l’ultimo tentativo in tal senso, ma proviene da un team che affronta un diffuso scetticismo a causa di un documento del 2020 che descriveva un materiale superconduttore come promettente ma meno pratico. ritirarsi Dopo che altri scienziati hanno messo in dubbio alcuni dei dati.

Il nuovo superconduttore è composto da lutezio, un metallo delle terre rare, e idrogeno con un po’ di azoto mescolato. Ha bisogno di una pressione di 145.000 psi prima di ottenere la sua abilità superconduttiva. Questa è circa 10 volte la pressione esercitata sul fondo delle fosse oceaniche più profonde.

Ma è anche meno di un centesimo di quanto richiesto dal risultato del 2020, che era simile alle forze di fratturazione trovate a diverse migliaia di miglia di profondità all’interno della Terra. Ciò indica che ulteriori indagini sul materiale potrebbero portare a un superconduttore che opera a temperatura ambiente e alla tipica pressione atmosferica di 14,7 psi.

“Questo è l’inizio di un nuovo tipo di materiale utile per applicazioni pratiche”, ha detto martedì Ranga P. Dias, professore di ingegneria meccanica e fisica all’Università di Rochester a New York, in una stanza piena di scienziati. In una riunione dell’American Physical Society a Las Vegas.

Era un resoconto completo dei risultati della sua squadra Pubblicato mercoledì su Natureche è la stessa rivista che ha pubblicato, e poi ritirato, i risultati del 2020.

Il team di Rochester ha iniziato con piccoli e sottili fiocchi di lutezio, un metallo bianco-argenteo che è tra i più rari degli elementi delle terre rare, e li ha compressi tra due diamanti intrecciati. Quindi un gas al 99 percento di idrogeno e all’1 percento di azoto è stato pompato nella piccola camera e spremuto ad alta pressione. Il campione è stato riscaldato durante la notte a 150 gradi Fahrenheit e dopo 24 ore la pressione è stata rilasciata.

Circa un terzo delle volte, il processo ha prodotto il risultato desiderato: un minuscolo cristallo blu vibrante. “Non è così facile ottenere l’azoto nell’idruro di lutezio”, ha detto il dott. Dias.

In una stanza del laboratorio dell’Università di Rochester utilizzata dal gruppo del Dr. Dias, la studentessa laureata Hiranya Basan ha dimostrato la sorprendente proprietà variabile dei materiali durante la visita di un giornalista la scorsa settimana. Mentre le viti venivano serrate per aumentare la pressione, il blu diventava rosso.

“È molto rosa”, ha detto il dottor Dias. Con pressioni più elevate, ha detto, “diventa rosso vivo”.

Far brillare un laser attraverso i cristalli ha rivelato come vibrano e ha sbloccato informazioni sulla struttura.

In un’altra stanza, altri membri del team del dottor Dias stavano effettuando misurazioni magnetiche su altri cristalli. Quando le temperature sono scese, gli gnomi proiettati sono apparsi nei dati tracciati sullo schermo del computer, indicando il passaggio a un superconduttore.

“Questa è una misurazione diretta che stiamo facendo ora”, ha detto il dottor Dias.

Nel documento, i ricercatori riferiscono che i cristalli rosa hanno mostrato proprietà chiave dei superconduttori, come la resistenza zero, a temperature fino a 70 gradi Fahrenheit.

“Sono cautamente ottimista”, ha detto Timothy Strobel, uno scienziato della Carnegie Institution for Science di Washington che non è stato coinvolto nello studio del Dr. Dias. “I dati sul giornale sembrano grandi.”

“Se questo è vero, è un passo avanti davvero, davvero importante”, ha detto Paul CW Chu, professore di fisica all’Università di Houston, anch’egli non coinvolto nella ricerca.

Tuttavia, la parte “se” di quel sentimento ruota attorno al dottor Dias, che è perseguitato dallo scetticismo, dalle critiche e persino dalle accuse di alcuni scienziati di aver fabbricato alcuni dei suoi dati. I risultati del documento Nature del 2020 non sono stati riprodotti da altri gruppi di ricerca e i critici affermano che il dottor Dias è stato lento nel consentire ad altri di esaminare i suoi dati o condurre analisi indipendenti dei suoi superconduttori.

I redattori di Nature hanno ritirato il precedente articolo l’anno scorso a causa delle obiezioni del Dr. Dias e degli altri autori.

“Ho perso un po’ di fiducia in ciò che viene da quel gruppo”, ha detto James Hamlin, professore di fisica dell’Università della Florida.

Tuttavia, il nuovo documento ha superato il processo di revisione tra pari nella stessa rivista.

Una portavoce di Nature ha dichiarato: “Il ritiro di un documento di ricerca non esclude automaticamente l’autore dalla presentazione di nuovi manoscritti”. “Tutti i manoscritti inviati sono considerati indipendentemente sulla base della qualità e della tempestività della loro conoscenza.”

Alla conferenza di martedì a Las Vegas, così tanti fisici si sono accalcati in una sala conferenze angusta che un moderatore ha chiesto ad alcuni di andarsene in modo da non dover annullare la presentazione. Una volta assottigliata la stanza, il Dr. Dias ha potuto presentare le sue scoperte senza interruzioni. Mentre ringraziava la folla, il moderatore si è lamentato del fatto che avevano esaurito il tempo per porre domande.

Il Dr. Strobel ha riconosciuto la controversia in corso che circonda il Dr. Dias e le precedenti affermazioni insolite che devono ancora essere riprodotte.

“Non voglio leggere troppo, ma potrebbe esserci uno schema di comportamento qui”, ha detto il dottor Strobel. “Potrebbe davvero essere il miglior fisico iperbarico del mondo, in procinto di vincere un premio Nobel. Oppure sta succedendo qualcos’altro”.

sotto pressione

La superconduttività è stata scoperta dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes e dal suo team nel 1911. Non solo i superconduttori trasportano elettricità con resistenza elettrica pari a zero, ma possiedono anche una strana capacità nota come effetto Meissner che assicura che non ci sia campo magnetico all’interno di un materiale. .

I primi superconduttori conosciuti richiedevano temperature leggermente superiori allo zero assoluto, o meno 459,67 gradi Fahrenheit. Negli anni ’80, i fisici hanno scoperto i cosiddetti superconduttori ad alta temperatura, ma anche quei superconduttori si trovano in condizioni molto più fredde di quelle che incontriamo nell’uso quotidiano.

La teoria standard che spiega la superconduttività prevede che l’idrogeno dovrebbe essere superconduttivo a temperature più elevate se può essere compresso abbastanza forte. Ma anche il diamante più resistente si rompe prima di poter raggiungere sollecitazioni di questa portata. Gli scienziati hanno iniziato a esaminare l’idrogeno mescolato con un altro elemento, pensando che i legami chimici potessero aiutare a comprimere gli atomi di idrogeno.

Nel 2015, Mikhail Eremets, un fisico del Max Planck Institute for Chemistry di Mainz, in Germania, ha riferito che l’idrogeno solforato, una molecola composta da due atomi di idrogeno e un atomo di zolfo, si trasforma in un superconduttore a 94 gradi Fahrenheit sotto pressione quando viene compresso a circa 22 milioni. libbre per pollice quadrato. All’epoca si trattava di una temperatura record per un superconduttore.

Il dottor Eremets e altri scienziati scoprirono in seguito che l’idruro di lantanio, un composto contenente idrogeno e lantanio, raggiungeva una temperatura superconduttiva inferiore a 10 gradi Fahrenheit sotto pressioni molto elevate.

Nella ricerca descritta nel documento ritirato del 2020, il gruppo del Dr. Dias ha utilizzato idrogeno, zolfo e carbonio. Gli scienziati hanno affermato che, attraverso tre elementi, sono stati in grado di modificare le proprietà elettroniche del composto per ottenere una superconduttività ad alta temperatura.

Tuttavia, non tutti ci credevano.

Il principale avversario del dottor Dias è Jorge Hirsch, un fisico teorico dell’Università della California, a San Diego. Si è concentrato sulle misurazioni effettuate dal gruppo del Dr. Dias sulla risposta di un composto di carbonio, zolfo e idrogeno a campi magnetici fluttuanti, che è la prova dell’effetto Meissner. La trama nel documento sembrava molto chiara e gli scienziati non hanno spiegato come hanno escluso le influenze di fondo nella trama.

Quando il dottor Dias ha rilasciato i dati grezzi sottostanti, ha detto il dottor Hirsch, la sua analisi ha indicato che erano stati generati da una formula matematica e non potevano essere effettivamente misurati in un esperimento. “Con l’analogia, non ottieni formule analitiche”, ha detto il dottor Hirsch. “Ottieni numeri rumorosi.”

Le sue lamentele sul dottor Dias divennero così persistenti e intense che altri nel campo fecero circolare una lettera in cui si lamentavano dei decenni di comportamento dirompente del dottor Hirsch.

Il dottor Hirsch è uno showman di un negozio di porcellane che prende di mira la teoria BCS, ideata nel 1957 da tre fisici – John Bardeen, Leon N. Cooper e J. Robert Schreffer – per spiegare come funziona la superconduttività. In molti modi, dice, BCS è una “bugia”, incapace di spiegare l’effetto Meissner. Ha trovato la sua interpretazione alternativa.

In particolare, il dottor Hirsch stava dicendo che non può esserci superconduttività in nessuno di questi materiali ad alta pressione perché l’idrogeno non può essere un superconduttore. Ha guadagnato pochi alleati.

Mentre il dottor Hirsch è attento a dire che gli scienziati diversi dal dottor Dias non commettono cattiva condotta, dice che si stanno prendendo in giro.

“Secondo me, gli scarti diventano conclusioni”, ha detto.

resistenza e riproduzione

Anche il dottor Hamlin dell’Università della Florida ha approfondito le misurazioni magnetiche e ha detto che sembrava che i dati grezzi fossero derivati ​​da dati pubblicati piuttosto che il contrario.

Il Dr. Hamlin è stato anche turbato nello scoprire che diversi paragrafi della sua tesi di dottorato, che ha scritto nel 2007, erano apparsi, parola per parola, nella tesi del Dr. Dias.

D rifiuta. Dias ha continuato a criticare e afferma che il suo gruppo ha fornito spiegazioni. “Sembrava solo un rumore di fondo”, ha detto. “Stiamo cercando di continuare a portare avanti la nostra scienza”.

Ha affermato di essere ancora fedele ai risultati precedenti e che il giornale di mercoledì ha utilizzato una nuova tecnica per le misurazioni magnetiche. Ha detto che il documento è stato sottoposto a cinque cicli di controllo da parte dei revisori e che tutti i dati grezzi alla base dei risultati sono stati condivisi.

“È tornato di nuovo in natura”, ha detto il dottor Dias. “Quindi questo ti dice qualcosa.”

Dopo due indagini universitarie, Sarah Miller, portavoce dell’Università di Rochester, ha dichiarato: “È stato stabilito che non ci sono prove a sostegno di queste preoccupazioni”. Ha anche affermato che l’università aveva “considerato la questione del ritiro del documento Nature nel settembre 2022 ed è giunta alla stessa conclusione”.

Per quanto riguarda la trascrizione della tesi di dottorato del Dr. Hamlin, il Dr. Dias ha detto che avrebbe dovuto includere delle citazioni. “È stata colpa mia”, ha detto il dottor Dias.

Ripetere le misurazioni di prestampa di carbonio, zolfo e idrogeno del documento ritirato del 2020 sta ora circolando, ma anche questo solleva interrogativi. “Differiscono notevolmente dalle misurazioni originali”, ha affermato il dottor Strobel. “Si potrebbe sostenere che non hanno riprodotto i risultati da soli”.

Poiché il nuovo materiale a base di lutezio è superconduttore a pressioni molto più basse, molti altri gruppi di ricerca potranno tentare di riprodurre l’esperimento. Il dottor Dias ha affermato di voler fornire una ricetta più accurata su come realizzare il composto e condividere i campioni, ma prima devono essere risolti i problemi di proprietà intellettuale. Ha fondato una società, Unearthly Materials, che intende trasformare la ricerca in profitti.

Il dottor Strobel ha detto che inizierà a lavorare non appena tornerà dalla conferenza di Las Vegas. “Potremmo ottenere un risultato letteralmente entro un giorno”, ha detto.

Il dottor Hirsch ha anche detto che si aspetta che le risposte arrivino rapidamente. “Se questo è vero”, ha detto, “dimostra che il mio lavoro degli ultimi 35 anni è sbagliato”. “Di cui sarei molto felice, perché lo saprei.”

Il dottor Hirsch ha aggiunto: “Ma penso di avere ragione ed è sbagliato”.

Kimberly McGee Reportage contribuito da Las Vegas.