Почти магическая сверхпроводимость: хайп или реальная надежда?

Сегодня поиск сверхпроводящих материалов, способных проявлять все свои свойства при комнатной температуре, ведется как никогда интенсивно. Они, если бы их удалось синтезировать, произвели бы революцию, например, в медицине, удешевив эксплуатацию МРТ (магнитно-резонансная томография) и позволив получать снимки с более высоким разрешением. Keystone / Gaetan Bally

Сегодня поиск сверхпроводящих материалов, способных проявлять все свои свойства при комнатной температуре, ведется как никогда интенсивно. Швейцарский физик Дирк ван дер Марел (Dirk van der Marel) уже разоблачил большое количество таких «открытий», доказав их полную практическую непригодность. В разговоре с нашим порталом он объяснил, как долго нам еще искать материал, способный совершить новый переворот в физике и технике.

Если кто-то еще помнит самый первый фильм «Аватар» (2009 год), то там земляне прибывают на планету Пандора с целью добывать анобтаниум. По фильму это высокотемпературный сверхпроводник. Попадая в магнитное поле, он, собственно, и становится причиной, по которой горы на Пандоре способны левитировать (зависать) в воздухе. В реальной физике этот феномен существует под названием «эффект идеальной проводимости», или «эффект Мейснера» (полное вытеснение магнитного поля из объёма тела проводника после его перехода в состояние сверхпроводимости). 

Проблема только в том, что в настоящее время максимальная температура, при которой существуют известные науке сверхпроводники, составляет 203 градуса Кельвина, или −70 °C. Сверхпроводник, способный проявлять все свои почти магические свойства при комнатной температуре (+15 градусов), стал бы настоящей революцией в физике и технике. На его основе совершенно новые и ранее небывалые возможности приобрела бы медицина, в области транспорта мы наконец получили бы летающие автомобили, создание персональных квантовых компьютеров стало бы куда более реальной перспективой, да мало ли где еще можно было бы применить такой чудо-материал.

Ведь, отличие от обычных материалов, таких как золото или платина, сверхпроводники проводят электрический ток без сопротивления, а это значит, что они не теряют энергию в виде теплового излучения. На сегодняшний день все сверхпроводящие материалы, известные ученым, демонстрируют свои свойства только при очень низких температурах и в ситуации чрезвычайно высокого внешнего давления, что, понятное дело, существенно ограничивает возможности их практического применения. И понятно также, что тот, кто запатентует первый в мире высокотемпературный сверхпроводник, войдет в историю наравне с изобретателями колеса и огня.

В июле 2023 года ученые из Ю. Кореи сообщили о том, что им удалось, якобы, синтезировать высокотемпературный сверхпроводник LK-99. Это был некий поликристаллический материал, созданный на основе меди, свинца, кислорода и фосфора. В середине августа 2023 года журнал Nature, однако, сообщил, что радость ученых была преждевременной. Осенью 2023 года тот же журнал Nature отозвал еще одну публикацию, в которой говорилось об успешном синтезировании высокотемпературного сверхпроводника. Другая аналогичная публикация была отозвана журналом в 2022 году. 

Ниже в таблице: самые известные в истории физики несостоявшиеся открытия материалов со свойствами высокотемпературной сверхпроводимости.

Год	Коллектив	Результат
1987	Огуиши и др., Япония	Не подтверждено
2003	Йохан Принс, США	Не подтверждено
2012	Шельке и др., ФРГ	Не подтверждено
2018	Кумар и др., Индия	Сомнительные данные
2020	Диас и др., США	Отозвано
2023	Диас и др., США	Отозвано
2023	Группа из Ю. Кореи	Не подтверждено

Физик Дирк ван дер Марел (Dirk van der Marel), бывший профессор Женевского университета, как раз и был одним из ряда ученых, поставивших под сомнение результаты научных исследований в области высокотемпературной сверхпроводимости, изложенные в статье, отозванной журналом Nature в 2022 году. В интервью порталу SWI он рассказал о том, сколько нам еще ждать изобретения этой «волшебной палочки».

 SWI: Материал под названием LK-99 попал в СМИ и вызвал небывалый ажиотаж? Почему?
 
Дирк ван дер Марел: Я думаю, что заявление, сделанное учеными из Южной Кореи относительно создания ими такого сверхпроводника, упало на почву, уже хорошо подготовленную сенсационными сообщениями, связанными с такими технологиями, как ChatGPT.

SWI: Как швейцарское научное сообщество отреагировало на «открытие» LK-99?
 
Мы сразу же, как только узнали о нем, поставили это «открытие» под вопрос. В швейцарском сообществе ученых-физиков возник негласный консенсус насчет того, что мы не будем тратить время на изучение всех деталей или на попытки воспроизвести LK-99 в лабораторных условиях, даже несмотря на то, что в мире уже было совершено несколько попыток синтезировать этот материал. 

Причина заключалась в том, что в той статье (с моей точки зрения, этот текст даже и статьей-то назвать нельзя) изложение теории, которая могла бы находиться в основании возможных механизмов сверхпроводимости материала LK-99, носило более чем неполный характер. Кроме того, свою публикацию южнокорейская научно-исследовательская группа разместила в электронном архиве с открытым доступом arXiv (портал для научных статей и препринтов, которые не рецензируются, но проходят первичную проверку модераторами. — Прим. ред). 
 
А когда препринт, не прошедший научное рецензирование, с таким энтузиазмом воспринимается научным сообществом и общественностью, то это не очень хороший знак. Ведь рецензирование — это своего рода интеллектуальный охранник на входе в сферу науки, это очень важная процедура, которая призвана отсеивать некачественные публикации. Несмотря на все недостатки и критику, эта процедура по-прежнему считается золотым стандартом обеспечения научной достоверности статей.

SWI: Но давайте предположим, что такое открытие действительно совершилось. Как бы выглядела тогда наша жизнь?
 
Возьмем для примера меня. Сегодня я приехал сюда на электромобиле, КПД (коэффициент полезного действия) которого уже довольно значителен. Высокотемпературные же сверхпроводники стали бы, однако, предвестниками абсолютно новой эры в области электромобилей. Мы бы получили ускоренное время зарядки, увеличенный пробег таких машин на одной «заправке», у нас были бы более мощные двигатели и более значительный потенциал ускорения процесса перехода общества на экологически чистый транспорт. 
 
Учитывая недавний резкий рост тарифов на электроэнергию в Швейцарии, мои счета за электричество стали бы куда более «щадящими» как раз благодаря более энергоэффективным электросетям и меньшим потерям электроэнергии при ее транспортировке и распределении. Открытие такого сверхпроводника позволило бы также создать более мощные ускорители частиц и резко продвинуть вперед эксперименты в области управляемого термоядерного синтеза.

SWI: Такое впечатление, что весь мир сейчас включился в гонку с целью добраться-таки до высокотемпературных сверхпроводников, и только из Швейцарии мы что-то не получаем на эту тему никаких новостей. Почему?

Молчание и осторожность не означают ничегонеделания. Насколько я знаю, в Швейцарии есть как минимум три научно-исследовательские группы, работающие над созданием таких сверхпроводящих материалов. Они просто не общаются постоянно с прессой и не разогревают нереалистичных ожиданий. А ведь самое важное открытие в области сверхпроводимости было сделано как раз в Швейцарии.

В 1986 году швейцарский физик Алекс Мюллер (Alex Müller) и его коллега — немецкий физик Георг Беднорц (Georg Bednorz) — в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе впервые синтезировали принципиально новый сверхпроводник в формате особого керамического соединения. Они пытались, систематически анализируя самые разные материалы, которые, как считалось, никогда не смогут обладать свойствами сверхпроводимости, реализовать чрезвычайно оригинальную идею, полностью противоречившую существующей тогда теории.

Их открытие стало началом эпохи бурного научного развития. Над подобными материалами в результате стали работать сотни лабораторий по всему миру.

SWI: Какие препятствия нам еще придется преодолеть на пути к практическому использованию высокотемпературных сверхпроводников?
 
Очень важно отметить, что движение в столь многообещающее будущее зависит от того, насколько мы сможем решить сопутствующие проблемы, связанные с ограниченными физическими свойствами тех или иных материалов, а также со сферой возможного их применения. Я имею в виду, что, например, в отличие от золота или серебра, высокотемпературный сверхпроводник чрезвычайно хрупок, а ведь одно из его самых очевидных применений — это создание электросетей следующего поколения. 
 
Такой сверхпроводящий материал должен быть, кроме того, устойчивым к атмосферным воздействиям и коррозии, коль скоро большинство линий электропередач постоянно находятся на открытом воздухе. Еще одно требование, которым нельзя пренебрегать, — это обеспечение возможности экономически рентабельного массового производства такого сверхпроводящего материала, мы же не собираемся делать автомобили из золота? Так что, несомненно, впереди у нас еще очень долгий путь.