Supercondutor à temperatura ambiente? Novos avanços

 (science.org)
1 pontos por GN⁺ 2023-08-02 | 1 comentários | Compartilhar no WhatsApp
  • O LK-99 ganhou atenção por uma alegação em preprint de que apresenta supercondutividade em temperatura ambiente e pressão ambiente, e, se isso for reproduzido, poderá afetar quase todas as áreas que usam eletromagnetismo
  • O procedimento de síntese é relativamente simples, então vários laboratórios podem verificá-lo rapidamente, mas a amostra original é policristalina e heterogênea, o que deixa espaço para resultados de reprodução inconsistentes
  • O vídeo de levitação magnética da Huazhong University of Science and Technology, na China, aumentou o interesse, mas só o vídeo não basta para confirmar a reprodução de supercondutividade em temperatura ambiente por efeito Meissner
  • Novos cálculos de DFT do Shenyang National Laboratory e de Lawrence Berkeley mostram que a estrutura reportada do LK-99 pode ser compatível com a possibilidade de supercondutividade e talvez não exija uma física totalmente nova
  • Ainda restam questões sobre a posição da substituição de cobre, a fragilidade da estrutura eletrônica e a possível direcionalidade cristalina, portanto são necessários dados de validação além de amostras bulk limpas e vídeos de redes sociais

A alegação sobre o LK-99 e a dificuldade de reprodução

  • O LK-99 surgiu com a alegação, em preprint, de apresentar supercondutividade em temperaturas muito acima da ambiente e à pressão ambiente
  • Um material assim é um objetivo perseguido há muito tempo na ciência dos materiais e na física da matéria condensada, e até agora vinha sendo visto principalmente como algo de ficção científica
  • Se realmente existir, poderá melhorar bastante as aplicações baseadas em eletromagnetismo, dependendo da densidade de corrente suportável
  • Alegações extraordinárias exigem evidências extraordinárias, e casos assim costumam ruir por causa de problemas de reprodutibilidade
  • Desta vez, a síntese não é extremamente complexa e não exige materiais ou equipamentos especiais, então vários laboratórios podem tentar a reprodução imediatamente
  • Ainda assim, os próprios autores originais disseram que a amostra é policristalina e heterogênea, e não há garantia de que o método de fabricação reportado seja o método otimizado
  • As variáveis de reprodução incluem pureza dos materiais de partida, presença de oxigênio, tamanho de partícula, velocidade de aquecimento e resfriamento, além do tamanho e formato do recipiente

Questões sobre os autores do preprint e o estado dos artigos

  • Os preprints relacionados saíram em período próximo, com um artigo de três autores e outro de seis autores
  • O preprint de três autores pode ser retirado porque um dos autores o submeteu sem consultar alguns dos demais autores
  • O artigo de seis autores está sendo preparado para submissão a um periódico com revisão por pares, e o próprio preprint já foi revisado
  • A situação interna real pode ficar mais clara apenas com o passar do tempo
  • Por causa do contexto de uma possível descoberta de supercondutor à temperatura ambiente, a expectativa e a confusão cresceram ao mesmo tempo

Alegações de reprodução e vídeo de levitação magnética até 1º de agosto

  • Até a manhã de 1º de agosto, havia um relato ainda não verificado de reprodução na Huazhong University of Science and Technology, na China
  • No vídeo divulgado, aparece um objeto que pode ser uma amostra de LK-99 flutuando sobre um ímã e mostrando orientações diferentes em relação ao ímã
  • Essa mudança de orientação é uma pista importante
    • Mesmo materiais paramagnéticos simples podem levitar em um campo magnético suficientemente forte
    • Materiais diamagnéticos como gotas d’água ou sapos também podem levitar
    • Nesses casos, eles podem voltar a uma orientação específica como a agulha de uma bússola
  • Um supercondutor é um diamagnético perfeito, o que o diferencia por expulsar o campo magnético
  • O efeito Meissner é o fenômeno em que um material, ao entrar no estado supercondutor na temperatura adequada, expulsa o campo magnético que atravessava seu interior
  • Esse vídeo depende da explicação de quem o produziu e publicou, e ainda há outras explicações possíveis mesmo que não se trate de supercondutividade à temperatura ambiente
  • Ainda é cedo para considerar um único vídeo como prova de reprodução real

A possibilidade mostrada pelos cálculos de DFT

  • Dois novos preprints partiram dos dados estruturais de raios X reportados para o LK-99 e previram seu comportamento com cálculos de teoria do funcional da densidade (DFT)
    • Um é o preprint da equipe do Shenyang National Laboratory for Materials Science
    • O outro é o preprint de Sinéad Griffin, de Lawrence Berkeley
  • Os dois cálculos chegaram a conclusões muito parecidas e sugerem que um material como o LK-99 pode funcionar
  • Isso é importante porque indica que talvez não seja necessário supor uma física totalmente nova para explicar o LK-99
  • O cálculo de Griffin encontrou um conjunto isolado de flat bands cruzando o nível de Fermi, com largura de banda máxima de cerca de 130 meV e separação de 160 meV em relação ao restante da banda de valência
  • A largura de banda estreita indica bandas fortemente correlacionadas, com a banda Cu-d particularmente plana e pouca dispersão causada pelos íons de oxigênio ao redor
  • Se a hipótese já existente de que a flatness das bandas induz supercondutividade estiver correta, esse resultado sugere uma fase supercondutora mais robusta e em temperatura mais alta do que nos sistemas de alta temperatura já conhecidos

Estrutura eletrônica, posição de substituição e direcionalidade cristalina

  • Em sólidos, o nível de Fermi é a energia teórica na qual a probabilidade de um elétron ocupar um certo nível energético é de 50%, e fica próximo da posição natural dos elétrons de condução móveis
  • Os elétrons em sólidos são modelados como ocupando várias bandas de energia, e entre elas há um band gap
  • Em isolantes, o nível de Fermi fica dentro de um band gap largo, dificultando a formação de corrente, enquanto em metais uma ou mais bandas cruzam o nível de Fermi
  • O artigo de Griffin considera, como no preprint original, que os resultados calculados valem quando o cobre substitui a posição Pb(1) na estrutura de apatita de chumbo
  • Mas parece energeticamente mais favorável que o cobre entre na posição Pb(2), o que pode dificultar obter de forma estável a substituição de cobre em Pb(1)
  • Esse problema de posição de substituição pode levar à variabilidade na reprodução do LK-99 ou à dificuldade de obter amostras bulk limpas
  • A equipe de Shenyang também entende que a apatita de chumbo original é um excelente isolante, mas que a mudança estrutural ao inserir átomos de cobre condiz com os dados experimentais do preprint coreano e produz uma grande transição para um estado metálico
  • O cálculo de Shenyang encontrou uma flat band meio preenchida e uma flat band completamente preenchida perto do nível de Fermi, e considera que elas são importantes para investigar a supercondutividade reportada
  • A equipe prevê que substituir átomos de ouro na posição Pb(1) pode produzir um material com propriedades semelhantes
  • O preprint de Shenyang considera que as unidades PO4 ao redor das colunas cilíndricas formadas pelos átomos Pb2 exibem caráter isolante, enquanto canais de condução quase unidimensionais surgem ao longo do eixo c, mediados pelos átomos O2 com ocupação de 1/4
  • Foram observados quatro VHS nas duas flat bands, o que indica que as propriedades eletrônicas podem ser frágeis diante de distorções estruturais em baixas temperaturas
  • Se for possível fabricar LK-99 monocristalino, a supercondutividade pode aparecer apenas ao longo de um eixo cristalino
    • Pode ser possível observar supercondutividade ao conectar fios em duas faces específicas opostas, mas não em outras faces
  • Mesmo em materiais supercondutores já conhecidos, os contornos de grão têm grande impacto na eficiência, e a amostra policristalina do LK-99 pode não ser favorável para mostrar um efeito forte

Avaliação atual

  • Os cálculos de Shenyang e de Lawrence Berkeley são um desenvolvimento positivo e afastam um pouco o LK-99 da categoria de algo “inexplicável”
  • Exigir uma nova física eleva muito o padrão de prova, mas esses cálculos mostram a possibilidade dentro do arcabouço teórico existente
  • São necessários mais dados de reprodução, e precisam surgir evidências além de vídeos de redes sociais
  • Até agora, é a tentativa mais confiável entre as candidatas a supercondutividade em temperatura ambiente e pressão ambiente que o mundo já viu, e os próximos dias e semanas serão muito importantes

Leituras relacionadas

1 comentários

 
GN⁺ 2023-08-02
Opiniões do Hacker News

  • É difícil imaginar o impacto do ponto de inflexão em que estamos agora. Mesmo ontem à noite era difícil de explicar, mas talvez estejamos vendo o início de uma era de transição tecnológica parecida com a de quando a junção p-n foi inventada.
    Do ponto de vista dos anos 1940, teria sido difícil imaginar a tecnologia de hoje. Transmissão de energia sem perdas, baterias que não precisam de tempo de recarga, CPUs muito mais rápidas e que não queimam o colo podem se tornar possíveis. Agora vamos ganhar carros voadores?

    • Nada do que foi listado é limitado por condutores internos. A eficiência das linhas de transmissão CA de alta tensão é limitada pelo acoplamento capacitivo com o terra; a recarga de baterias, pela química das células; e o aquecimento de CPUs, pela resistência dos semicondutores.
      Metais, especialmente o cobre, já são condutores incrivelmente bons.
    • Concordo com o sentimento de “carros voadores”, mas não quero carros voadores literalmente. Ainda mais se não forem carros voadores autônomos, já que as pessoas já causam problemas suficientes até no chão, que foi feito para dirigir.
    • “Baterias que não precisam de tempo de recarga” realmente se tornariam possíveis com isso? À primeira vista, não entendo bem a ligação.
    • Se estamos falando de carros voadores, não podemos esquecer o skate voador de Back to the Future. Eu adorava aquilo no filme e ainda sonho com um.
      Agora já estou quase com 50 anos, então provavelmente cairia e morreria se tentasse andar, mas ainda assim acho que tentaria uma vez.
    • Será que li o mesmo artigo? Isto é cerâmica.

  • Ao ver a previsão de que “substituir átomos de ouro na posição Pb(1) pode gerar um material com propriedades muito semelhantes”, tive um pensamento meio absurdo por causa do fato de o material-base ser apatita de chumbo.
    Os alquimistas medievais estavam tentando transformar chumbo em ouro, mas talvez o caminho fosse o contrário: dopar chumbo com ouro pode ser a descoberta decisiva :-)

    • Depois de milhares de anos matando pessoas por ouro, finalmente poderemos usar esse ouro para algo útil: fabricar supercondutores que alimentem armas de energia para nos matarmos uns aos outros. É o ciclo da vida.
    • Fico imaginando como a história teria sido diferente se alquimistas de alguns séculos atrás tivessem encontrado por acaso uma amostra de apatita de chumbo que realmente levitasse.
    • Se, no fim, o ouro se revelar a única solução prática, esse novo material parece que será excelente, mas ao mesmo tempo extremamente caro.
    • Queria que alguém verificasse o que acontece ao alternar camadas de grafeno com folha de ouro puro, além de um belo padrão “Damasco”.

  • Saiu um novo vídeo de reprodução da China.
    https://twitter.com/lereguy/status/1686363900651151360

    • https://nitter.net/lereguy/status/1686363900651151360
    • Só da China eu já vi três, e hoje os cálculos de uma instituição de pesquisa confiável também confirmaram a teoria.
    • Alguém pode explicar como esse vídeo demonstra supercondutividade?
    • Isso não deve ser carbono pirolítico, certo?
    • Espera, em um campo magnético em movimento, qualquer pedaço de material magnético não se moveria assim? Esta reprodução não foi um fracasso?

  • É empolgante, mas estou tentando manter a calma. Boa sorte a todos os envolvidos.
    Eu não sabia que a ciência podia ser um esporte para espectadores tão eletrizante.

    • Parece quase uma volta à época de Lavoisier. Como se fosse uma era em que cientistas faziam experimentos elaborados em público e até provocavam explosões para sustentar ou refutar teorias populares.
      Há uma atmosfera de competição mortal, demonstrações promocionais e orgulho pessoal, institucional e nacional em jogo a cada novo desdobramento.
    • É realmente eletrizante. Não consigo deixar de procurar os últimos desdobramentos todos os dias.
    • O interessante é que, mesmo sem nenhuma base nesta área, é fácil entender o essencial.
    • Uma pessoa espirituosa em outra rede social disse: “Todo avanço tecnológico, como encanamento e gasolina, acabou levando ao envenenamento por chumbo; então talvez este seja de verdade”.
    • Em um vídeo que vi alguns dias atrás, apontaram que a corrente de destruição da amostra era de 260 mA. Dá para fazer muita coisa com 260 mA, mas eletroímãs de vários teslas provavelmente não entram na lista.
      Então acho difícil para ressonância magnética, fusão nuclear e provavelmente também dispositivos eletromecânicos como geradores ou motores.

  • Os resultados de DFT são definitivamente interessantes, mas ressalvo que minha área é física experimental da matéria condensada desses materiais, não teoria. Pelo que entendo, as bandas planas, que são o ponto central da conclusão, podem ser uma condição necessária para a supercondutividade do tipo que os autores mencionam, mas não suficiente.
    Em física experimental da matéria condensada, às vezes é aceitável fazer um bom experimento e depois anexar uma “base teórica” meio crua para apaziguar os revisores. Por isso, eu não ficaria surpreso se a supercondutividade real se revelasse totalmente independente do mecanismo proposto no artigo. Quero ver uma caracterização mais sólida, e espero que os laboratórios fazendo estudos de reprodução examinem as partes essenciais.

    • Conheço um pouco de DFT, mas quase nada de supercondutividade. Ainda assim, lendo o preprint de Sinéad Griffin, não vi nada que parecesse estranho do ponto de vista metodológico, e os métodos e softwares usados são muito bem estabelecidos e classificados.
      Mas esse conhecimento é de uns 20 anos atrás e, embora eu tenha um artigo de primeiro autor na PRB, você não deveria confiar mais em mim do que em pesquisadores ativos. Mesmo assim, não sou completamente ignorante.
    • O que chama atenção é que, na simulação DFT, as bandas planas aparecem apenas em uma estrutura cristalina específica desse material, e essa estrutura nem é o estado mais estável.
      Isso pode explicar por que a síntese é difícil. Essas simulações não são perfeitas, mas, quando os experimentos indicam uma direção e há forte correlação, pode ser um bom sinal de que se obteve uma explicação mecanística do fenômeno.
    • O que acho difícil de entender é como a supercondutividade surge sem pares de Cooper. Meu entendimento se baseia em supercondutores mais tradicionais, e não conheço bem a fronteira dos supercondutores de alta temperatura.

  • Fico feliz por não ser o único a achar o preprint dos cálculos de DFT bastante promissor
    Mas ele também mostra que alcançar a substituição desejada é muito difícil. Em especial, a abordagem proposta por alguns de “quebrar o composto e separar” provavelmente não vai funcionar. Isso porque a heterogeneidade existe dentro do mesmo cristal, e é bom quando o Cu entra no sítio Pb {1}, mas ruim quando entra no sítio Pb {2}
    Por isso, o método de síntese bastante indireto preferido pelos autores — reagir fosfeto de cobre com lanarkite, gerando muito sulfeto de cobre como subproduto — pode ter sido necessário para produzir propriedades interessantes. Agora que temos uma noção do que procurar, talvez seja possível derivar outros métodos de síntese tendo em mente que tipo de substituição por cobre precisa ser alcançada e como determinar se ela foi alcançada
    É claro que ainda existe a possibilidade de tudo isso ser um grande erro, mas agora seriam necessários vários erros interligados ao mesmo tempo. Se seguirmos essa hipótese, pode levar bastante tempo até conseguir a substituição seletiva necessária em amostras bulk de alta qualidade, então não espero uma enxurrada de novas tecnologias no curto prazo

    • O consenso geral entre especialistas que já fizeram DFT é que esse preprint praticamente não muda o julgamento sobre o LK-99. Como https://twitter.com/alexkaplan0/status/1686392015217741825 resumiu bem, o artigo de Griffin não é prova de supercondutividade nem um sinal muito forte
      Bandas planas podem significar várias coisas, e a estrutura cristalina assumida por Griffin pode ter sido escolhida porque parecia provável. O CMTC também acha que o artigo de Griffin não muda muito o cenário e que a reprodutibilidade continua baixa: https://twitter.com/condensed_the/status/1686373904044949504...
    • Até certo ponto, sim, mas é de se esperar que colocar átomos de cobre dentro de uma grande super-rede isolante produza bandas planas. Ainda assim, a ocupação das bandas d é interessante
      Não estou extremamente convencido, mas com certeza não é nada
    • Não faço a menor ideia se o que Iris (Russian Cat Girl) disse — “engenheirar pili condutores de bactérias em um supercondutor” — se refere a biotecnologia em nanoescala ou a um método de reproduzir de forma estável a própria estrutura supercondutora
      É só besteira? https://twitter.com/iris_IGB/status/1685322871306928128
    • Fico curioso sobre o quanto a deposição química em fase vapor seria adequada para produzir amostras puras com a substituição correta de Cu. Embora seja um método muito caro, mais para trabalho de laboratório
    • Será que há limitações para fabricar esse cristal em pedaços grandes, a ponto de ele nunca vir a ser útil na prática?

  • Queria ver como foram os pedidos diários de óxido de chumbo(II) e pó de fosfeto de cobre no site da cadeia de suprimentos da Sigma Aldrich na semana passada

  • Fico surpreso que a mídia mainstream pareça estar ignorando isso agora. Pesquisei LK-99 no Google Notícias e não havia artigos de grandes veículos; o resultado da busca no NYTimes era um artigo de 1974

    • Vejo essa cautela como algo positivo, na verdade. A situação era incerta demais, e teria sido difícil explicar corretamente o que estava acontecendo, por que era importante e se realmente era importante
      Acho que foi bom terem segurado, especialmente por causa dessa última parte. Nem estava claro se isso chegaria a ser mais do que “alguns cientistas talvez tenham cometido um grande erro, ou talvez não”. Agora que chegamos ao ponto em que várias equipes dizem que é possível ou que já aconteceu, acho que matérias na mídia mainstream também devem começar a aparecer. Não é ignorar; é cautela, e os jornalistas de ciência devem estar observando como falcões
      Gosto da imprensa respeitável porque ela é um filtro confiável para o ruído da internet. Vejo os rumores iniciais em sites como este, e o conteúdo filtrado, organizado e com foco por lá
    • Sinceramente, as evidências atuais são bem instáveis. Derek Lowe está bastante otimista aqui, mas a reação dos pesquisadores de supercondutores foi em geral pessimista [1], e como Derek Lowe não é da área, por enquanto confio mais neles
      Os artigos originais são dois papers publicados sem que esteja claro se a publicação no arXiv é amplamente aceita nessa área, e o jornalismo científico normalmente espera por um artigo revisado por pares em uma revista acadêmica de renome. Alguns veículos especializados já cobriram o assunto, e eu incluiria o In The Pipeline, de Derek Lowe, nessa categoria
      [1] Por exemplo: https://nitter.net/i/status/1686373516286005248 — explica por que até os artigos teóricos recentes de confirmação são pouco convincentes
    • Acho melhor esperar por mais pesquisas do que sair fazendo alegações aleatórias que depois podem se revelar falsas
    • Eu realmente não entendo. Nesse meio-tempo, houve tantas matérias sobre descobertas médicas sem graça baseadas em modelos de camundongos, mas a cobertura sobre o LK-99 é literalmente zero
      Independentemente de dar certo ou não, isso tem valor jornalístico. Só o mistério, o contexto humano e as tentativas de reprodução por Argonne, China e cientistas independentes já rendem um monte de pautas interessantes que poderiam virar matéria imediatamente
      O mais estranho é que o NYT publicou uma matéria sobre a retratação do artigo de supercondutor de Dias. Aquele artigo nem estava no meu radar, porque eu não teria interesse a menos que fosse um supercondutor que representasse um grande salto para aplicações práticas
      O que diabos eles estão fazendo?
    • Metade dos comentários está zombando da qualidade irregular das evidências, e faz só cerca de uma semana que o artigo saiu. Acho razoável esperar pelo menos por um preprint de uma reprodução bem-sucedida
      Não é justo dizer que a mídia mainstream está ignorando. A possível descoberta literalmente acabou de acontecer, e a baixa visibilidade somada à cautela em relação às evidências fez com que ainda não a cobrissem

  • Tentativa malsucedida de reprodução: transporte semicondutor em Pb10-xCux(PO4)6O sinterizado com Pb2SO5 e Cu3P
    https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2307/2307.16802.pdf

    • Acho que esse tipo de falha de reprodução apareceria mesmo que o LK-99 fosse real. Em uma nova ciência de laboratório, acertar exatamente as condições não é algo trivial, e muitas vezes, em artigos iniciais, variáveis decisivas nem sequer foram medidas
      As pessoas usam esse fato para atacar áreas como a pesquisa do câncer, mas, infelizmente, é um problema fundamental da ciência. Artigos científicos não são cristais de verdade destilada, mas algo mais próximo de commits de um trabalho em andamento. Se esperássemos para publicar até conhecer todos os detalhes, as descobertas científicas desacelerariam a passo de tartaruga, e inúmeras descobertas seriam perdidas
    • Há bons motivos para achar que o material sintetizado pelo grupo chinês é bem diferente do que os pesquisadores coreanos caracterizaram como LK-99: https://twitter.com/robert_palgrave/status/16863940964101488...
      Eles testaram outro material

  • Ah, a geração de citações está acontecendo de verdade