Supercondutividade à temperatura ambiente reproduzida com sucesso pela primeira vez? O experimento doméstico está deslizando a tela globalmente, e a equipe coreana quer remover o papel, então não fique muito animado

Em 23 de julho, uma equipe de pesquisa científica sul-coreana carregou dois artigos no site de pré-impressão arXiv, alegando que alcançou supercondutividade em pressão e temperatura normais com uma temperatura crítica superior a 400K (cerca de 127°C).

Assim que a notícia foi divulgada, houve um alvoroço e equipes de pesquisa científica de vários países se uniram ao reaparecimento do experimento supercondutor de pressão e temperatura normais de "esfregar as mãos".

Depois de várias experiências repetidas de "abdominais", Wu Hao, um pós-doutorando da Escola de Ciência e Tecnologia de Materiais da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, e Yang Li, um estudante de doutorado, sob a orientação do professor Chang Haixin, conseguiram verificou e sintetizou o cristal LK-99 que pode ser levitado magneticamente pela primeira vez. O ângulo de levitação é maior do que o ângulo de levitação magnética da amostra obtido pela equipe de pesquisa científica coreana, e espera-se que realize o verdadeiro supercondutor magnético sem contato levitação.

Os pesquisadores moveram um pequeno ímã sob a amostra para ver se a amostra estava levitando magneticamente. Os resultados experimentais mostram que as amostras se repelem sob os dois pólos do ímã.

Antes do prazo, o número de visualizações do vídeo na estação B chegou a 7,1 milhões, e continua aumentando, parece que as engrenagens do destino profissional dos quatro grandes tiankengs vão girar novamente.

"Alquimia" para refinar supercondutores?

De fato, desde que a equipe coreana publicou o artigo, devido às chocantes conclusões experimentais, muitos pesquisadores o questionaram pela primeira vez.

Susannah Speller, professora de ciência de materiais em Oxford, disse: "Ainda é cedo e não temos fortes evidências de supercondutividade nessas amostras".

Michael Norman, físico teórico do Argonne National Laboratory, nos Estados Unidos, criticou duramente: "A forma como eles fazem experimentos é mais como amadores".

O professor Wen Haihu, da Universidade de Nanjing, também disse eufemisticamente em uma entrevista: "Atualmente, não há fortes evidências de que este seja um material supercondutor à temperatura e pressão ambiente. Se você deseja verificar a autenticidade, precisa aguardar os resultados experimentais da equipe de pesquisa científica para julgar."

Diferente da supercondutividade convencional, a supercondutividade de pressão normal e temperatura ambiente precisa atender a várias condições. Um entendimento simples é alta temperatura (pode ser supercondutor à temperatura ambiente), estabilidade (mantém um estado supercondutor sob pressão atmosférica normal e perde a supercondutividade sem ser afetado por condições externas) e é fácil de fabricar (fabricado por métodos comuns sem exigir equipamentos especiais ou condições).

Curiosamente, os resultados do reaparecimento de equipes de pesquisa científica em vários países também são diferentes.

A equipe de pesquisa da Universidade Beihang usou o método de teste de resistência para verificar a supercondutividade das amostras. Os resultados mostraram que, embora a amostra que eles sintetizaram fosse completamente consistente com a fórmula química do LK-99 publicada anteriormente pela equipe sul-coreana, eles não observaram fenômenos supercondutores óbvios na amostra e até apresentavam características semelhantes a semicondutores.

Sun Yue, professor da Southeast University, anunciou todo o processo de reprodução do experimento supercondutor em pressão e temperatura normais no canal "Scientific Investigation Bureau" da estação B. Os resultados mostraram que a amostra tinha diamagnetismo fraco, mas não havia supercondutor. fenômeno da levitação magnética.

Embora outra parte da equipe de pesquisa científica afirmasse reproduzir o diamagnetismo do LK-99, o "diamagnetismo" é apenas uma condição necessária, mas não suficiente para materiais supercondutores. Em outras palavras, os materiais supercondutores têm "diamagnetismo", mas o "diamagnetismo" não é necessariamente é um supercondutor, e a realização perfeita da resistência zero à pressão e temperatura normais também é um dos focos dignos de atenção.

Como mencionado acima, embora a equipe do professor Chang Haixin, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, tenha verificado e sintetizado o cristal LK-99 que pode realizar a levitação magnética pela primeira vez, a supercondutividade e a quantização de fluxo ainda precisam ser verificadas.

No entanto, algumas equipes de pesquisa acreditam que o LK-99 pode ser um supercondutor.

O Laboratório Nacional Lawrence Berkeley dos Estados Unidos verificou o mecanismo teórico do LK-99 por meio de simulação de computador e acredita que o LK-99 pode se tornar um supercondutor à temperatura ambiente e à pressão ambiente.

Os resultados das simulações de computador mostram que, depois que os átomos de cobre substituem parte dos átomos de chumbo no material de apatita, o estado de energia eletrônica do cobre se tornará uma distribuição plana e estreita em forma de banda, que os cientistas acreditam ser um sinal importante para a realização de altas -supercondutividade de temperatura. A equipe de pesquisa científica também descobriu que os resultados do cálculo mostram que a apatita dopada com cobre tem muitas condições propícias à supercondutividade, portanto os resultados são considerados promissores.

Diante de várias dúvidas, Hyun-Tak Kim, terceiro autor do segundo artigo da equipe de pesquisa científica coreana, disse em entrevista ao "Daily Economic News" que sua equipe havia descoberto anteriormente um erro no artigo, que agora foi revisado. Ele acrescentou: “A pressão atmosférica LK-99 produzida e o material supercondutor de temperatura normal podem ser replicados dentro de um mês”.

Também é relatado que a equipe de pesquisa científica sul-coreana pode ter ocultado o processo-chave devido a conflitos internos e, portanto, o conteúdo supercondutor das amostras no experimento de reprodução atual é relativamente não tão alto.

Os internautas de olhos aguçados pegaram os detalhes de recozimento e resfriamento suspeitos de serem escondidos pela equipe coreana em um artigo "High Tc Oxide Superconductor with Infinite Layer Structure".

Sua análise apontou que uma alta tensão interna estável pode fazer com que os elétrons internos se movam de forma ordenada e rápida, o que é um ambiente necessário para a supercondutividade.

Em inúmeros experimentos, Kim, membro da equipe de pesquisa científica sul-coreana, acidentalmente descobriu que, quando o tubo de quartzo contendo a amostra se quebrou em determinado momento após ter sido retirado do forno, e o oxigênio foi introduzido neste momento, o produto acabado super condutor.

No momento, notícias relacionadas ao LK-99 estão surgindo uma após a outra. Se o LK-99 é a chave para desbloquear a tecnologia humana, precisa de mais tempo para fazer uma demonstração cuidadosa, então, por favor, não fique muito nervoso. Ninguém vai voar quando você acorda amanhã Via Láctea.

É inegável que uma vez que o material supercondutor de pressão normal e temperatura normal esteja disponível, ele terá um significado de longo alcance, nada menos do que o início de uma nova rodada de revolução industrial.

Por exemplo, no campo da energia, a aplicação de materiais supercondutores de pressão normal e temperatura normal pode melhorar a eficiência das redes de transmissão de energia, promover uma operação mais eficiente de dispositivos renováveis, como geradores supercondutores e turbinas eólicas, e reduzir as perdas de energia;

No campo do transporte, as características de resistência zero dos materiais supercondutores podem ser usadas em sistemas de trem maglev eficientes para obter um transporte mais rápido e com maior eficiência energética;

No campo da pesquisa médica e científica, a aplicação de supercondutividade normal de temperatura e pressão também pode promover o desenvolvimento de imagens por ressonância magnética (MRI) e outras tecnologias de imagem médica, bem como a fabricação de ímãs e detectores avançados para pesquisa científica;

Se nossos cérebros forem maiores, as propriedades supercondutoras também subverterão o design de produto existente e a adoção de material/tecnologia, não precisarão mais de sistema de resfriamento, fibra óptica/CCL de alta ordem serão substituídos, etc., mesmo que seja tão pequeno quanto um iPhone Dispositivos de telefonia móvel também podem ter poder de computação comparável a computadores quânticos.

Mas antes disso, você realmente entende o que é supercondutividade?

Por que a supercondutividade à temperatura ambiente é o "santo graal da física"?

Em 1911, o cientista Onnes baixou o gás raro hélio a uma temperatura baixa de 4,2 K (cerca de -270°C), liquefez o hélio e depois usou hélio líquido para tratar o mercúrio metálico. Nessa época, Onnes mediu a resistência do mercúrio e descobriram que o metal À medida que a temperatura cai, a resistência do mercúrio diminui gradualmente e, de repente, desaparece e se torna 0, tornando-se um material supercondutor. Mais tarde, as pessoas chamaram esse fenômeno de supercondutividade.

Esta é a história da física que todos com nove anos de escolaridade obrigatória já ouviram. Quando todo professor de física fala sobre o capítulo da supercondutividade, seus olhos brilham. Como um missionário, ele descreve o significado da supercondutividade e o futuro brilhante após a realização da supercondutividade à temperatura ambiente para os alunos, para que a história da supercondutividade possa ser transmitida de geração em geração. .

De certa forma, a supercondutividade possui os elementos essenciais de um conto de fadas, ou seja, tramas antirrealistas extraordinárias e descrições quase exageradas——0 resistência é contrária ao senso comum, e as condições super duras de preparação adicionam mistério, sem falar que o realização da supercondutividade terá um impacto real nas pessoas.

A superposição desses vários fatores torna a supercondutividade um dos conceitos físicos de fronteira mais facilmente quebrados, e sua resistência à propagação é muito menor do que a de termos "incomuns", como o bóson de Higgs, ondas gravitacionais e matéria escura. No entanto, quando queremos discutir o que é supercondutividade e qual é o princípio da supercondutividade, podemos tocar no ponto cego do conhecimento da maioria das pessoas.

Para responder a essa pergunta, devemos primeiro descobrir como a resistência é gerada.

Tomando o metal como exemplo, há uma rede carregada positivamente dentro do metal, e a camada externa é de elétrons em movimento livre.Quando aplicamos um campo elétrico, o processo de movimento de elétrons livres forma uma corrente.

Nesse processo, alguns elétrons livres podem atingir a rede cristalina, transferir parte da energia para a rede, e a rede vibrar novamente para gerar calor.Esse é todo o processo de aquecimento por resistência.

Antes de Onnes descobrir o fenômeno da supercondutividade, a comunidade científica discutia sobre os fatores que afetavam a resistência. O cientista Matheson acreditava que, quando a temperatura do condutor caísse o suficiente, a vibração da rede cristalina enfraqueceria e a resistência cairia, mas não cair para 0. Outro cientista, Kelvin, acredita que quando a temperatura cai, a resistência primeiro diminui e depois aumenta novamente a uma determinada temperatura, porque quando a temperatura é muito baixa, os elétrons também são "congelados" e seu movimento é limitado.

O cientista Dewar acredita que, à medida que a temperatura cai, a resistência cairá gradualmente para 0 e, finalmente, o experimento de Onnes prova que o ponto de vista de Dewar está correto.

Na verdade, apenas para estudar se a resistência dos supercondutores realmente cai para 0, ou se a resistência é tão pequena que o instrumento não pode medi-la, os cientistas fizeram muitas pesquisas experimentais para provar isso, e não vamos repetir isso aqui.

O que quero enfatizar aqui é que, embora o fenômeno da supercondutividade seja fácil de entender, a pesquisa sobre supercondutividade depois de centenas de anos é um trabalho acadêmico muito rigoroso e profundo. Se você tirar conclusões precipitadas sem materiais de prova suficientes, poderá até aproveitar do tópico apenas tornará a palavra "supercondutor" um termo acadêmico superconsumido pela ciência civil, como infravermelho e quântico.

Em 1933, o cientista Meissner descobriu outro fenômeno importante dos supercondutores: os supercondutores são completamente diamagnéticos, o que também pode ser chamado de efeito Meissner.

Objetos comuns colocados em um campo magnético podem ser penetrados pelo campo magnético, mas se um supercondutor for colocado em um campo magnético, descobrir-se-á que o campo magnético será completamente isolado (supercondutor tipo I) ou parcialmente isolado externamente (tipo II). supercondutor), que tem uma forte resistência magnética.

Existem teorias para explicar que isso ocorre porque uma corrente é gerada dentro do supercondutor, formando um campo magnético que anula o campo magnético externo, de modo que o diamagnetismo pode ser alcançado.

Vale a pena notar que o diamagnetismo não é uma característica exclusiva dos supercondutores. Materiais como o grafite pirolítico também exibem diamagnetismo. Portanto, a maneira mais rigorosa de verificar materiais supercondutores é medir a resistência do material.

Em 1957, três cientistas Bardeen, Cooper e Schrieffer apresentaram a famosa teoria BCS para explicar o fenômeno da supercondutividade.

A teoria BCS acredita que, em baixas temperaturas, há atração mútua entre os elétrons nos materiais, e essa atração fará com que os elétrons formem um estado de emparelhamento especial, chamado par de Cooper.

Em condições normais, os elétrons colidem uns com os outros, causando resistência elétrica. Mas no estado supercondutor, os pares de Cooper formados por esses aglomerados de elétrons não se movem aleatoriamente como elétrons individuais, mas se movem cooperativamente de maneira coletiva.

Neste momento, os pares de Cooper podem se deslocar entre as redes em grupos sem serem perturbados pelas redes, e é por isso que os supercondutores podem conduzir corrente sem impedimentos em baixas temperaturas.

Depois que o fenômeno da supercondutividade foi explicado, a comunidade científica iniciou uma "corrida supercondutora" na década de 1980. A temperatura crítica dos supercondutores aumentou de 40K para 77K, 90K e depois para 125K (cerca de -148°C). materiais para entrar no estado supercondutor em temperaturas mais altas.

Em 2018, o material de hidreto de lantânio produzido pela equipe de pesquisa alemã alcançou supercondutividade em 1,7 milhão de vezes a pressão atmosférica e 250K (cerca de -23°C), que é atualmente o material mais próximo da supercondutividade à temperatura ambiente.

Comparado com outros materiais supercondutores, a estrutura cristalina, o método de fabricação e as condições supercondutoras do LK-99 são incomuns. Ele merece mais energia da comunidade científica para provar isso. Uma simples compreensão desse interessante fenômeno físico é suficiente.

É apenas um pequeno flash que apareceu de repente no processo de perfuração de madeira por humanos para fazer fogo. Pode ser uma chama, ou pode ser que os olhos estejam em transe depois de perfurar por muito tempo. Por favor, esteja alerta para a defesa de "levitação maglev hoje, fusão nuclear tokamak supercondutora amanhã e Orion depois de amanhã" O que você precisa saber é que o LK-99 ainda não foi ligado.

*Este artigo foi concluído em conjunto por Mo Chongyu, Chen Zejun e Huang Zhijian.

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