Revisão 2 do preprint sobre o supercondutor LK-99 em temperatura ambiente e pressão ambiente
(arxiv.org)- No contexto da busca por supercondutores em temperatura ambiente que já dura mais de 110 anos, este preprint afirma que o LK-99®, uma apatita de chumbo dopada com Cu, apresenta supercondutividade em temperatura ambiente e pressão ambiente
- A composição do material é Pb10-xCux(PO4)6O(0.9<x<1.1), e a síntese é feita por método de estado sólido após produzir Lanarkite e Cu3P, aquecendo-os em tubo de quartzo a vácuo a 925°C por 5 a 20 horas
- A interpretação de XRD considera que o Cu substitui o Pb, reduzindo as constantes de rede e levando a uma contração de volume de 0,48%, associada à transição isolante-metal
- Nos experimentos de suscetibilidade magnética e levitação, as amostras 2, 3 e 4 apresentaram diamagnetismo e levitação incompleta, o que os autores interpretam como evidência da presença de uma fase supercondutora
- A medição de resistência na amostra 2 mostrou um salto de resistência próximo de Tc=104,8°C(377,95K) e uma faixa de resistência quase zero abaixo de Tc, o que os autores consideram evidência de um supercondutor do tipo s-wave
Alegações sobre o LK-99® e composição do material
- O LK-99® é um material com estrutura cristalina de modified-lead apatite, com composição Pb10-xCux(PO4)6O e faixa de x em 0.9<x<1.1
- Os autores afirmam que esse material apresenta características metálicas ôhmicas baseadas em Pb(6s1) acima de Tc e, abaixo de Tc, exibe levitação devida ao efeito Meissner em temperatura ambiente e pressão ambiente
- O Tc das amostras de LK-99® é apresentado como acima de 126,85°C(400K)
- A possibilidade de Tc em temperatura ambiente é associada a duas mudanças estruturais
- Ao substituir Pb por Cu, ocorre uma transição isolante-metal (IMT) e há contração de volume
- A estrutura de cadeia unidimensional Cu2+(3d9)−O1/2−Cu2+(3d9) ao longo do eixo c se deforma, fortalecendo a interação de Coulomb repulsiva on-site
- O mecanismo de Tc em temperatura ambiente é discutido com base na teoria 1-D BR-BCS
Contexto da busca por supercondutores em temperatura ambiente
- Desde a descoberta da supercondutividade por Onnes em 1911, os supercondutores em temperatura ambiente com resistência elétrica zero têm sido um dos principais alvos de pesquisa por mais de 110 anos
- Como casos de comparação, são citados os supercondutores cupratos acima de 40K em 1986, o hydride de H2S com Tc≈203K a 155GPa em 2015, e o hidreto de lutécio dopado com nitrogênio com Tc de 294K a 10kbar em 2023
- A teoria BCS foi introduzida em 1957, e a teoria BR-BCS para tratar Tc acima da temperatura ambiente é descrita como tendo sido descoberta em 2021
- Os autores consideram que observar o surgimento da fase metálica por meio de uma transição isolante-metal em temperaturas acima da ambiente é o ponto-chave para a descoberta de um supercondutor em temperatura ambiente
- O escopo do preprint inclui o método de síntese do supercondutor de apatita de chumbo dopada com Cu, experimento de levitação, característica de resistência zero, mecanismo de IMT sem transição de fase estrutural, diagrama de fases e mecanismo de supercondutividade em temperatura ambiente baseado em BR-BCS
Procedimento de síntese por método de estado sólido
- A preparação das amostras é realizada por método de estado sólido usando PbO, PbSO4, Cu, P como matérias-primas
- A síntese é composta por três etapas
- Etapa 1: os pós de PbO e PbSO4 são misturados em proporções de 50% cada, colocados em um cadinho cerâmico e aquecidos a 725°C por 24 horas ao ar para obter Lanarkite Pb2(SO4)O
- Etapa 2: os pós de Cu e P são misturados de acordo com a proporção dos componentes, selados em um tubo de quartzo sob vácuo de 10^-3 torr e aquecidos a 550°C por 48 horas para formar cristais de Cu3P
- Etapa 3: os cristais de Lanarkite e Cu3P são moídos até virar pó, depois selados em um tubo de quartzo sob vácuo de 10^-3 torr e aquecidos a 925°C por 5 a 20 horas
- A reação final forma Pb10-xCux(PO4)6O, e é explicado que o elemento enxofre presente no PbSO4 evapora durante a reação
Estrutura cristalina e contração de volume
- O pó produzido foi analisado quanto à cristalinidade e estrutura por meio de medições de X-ray diffraction(XRD) e ajuste de dados
- A amostra 1 foi interpretada como um material policristalino por apresentar vários picos de XRD
- O padrão de XRD corresponde em grande parte à modified-lead apatite, mas alguns picos se deslocam para ângulos maiores e também surgem novos picos
- Os autores interpretam esse deslocamento dos picos como evidência de mudança na estrutura da rede e redução das constantes de rede
- A amostra 1 possui estrutura hexagonal P63/m, 176, com constantes de rede a=9.843Å, c=7.428Å
- As constantes de rede da lead apatite usada para comparação são a=9.865Å e c=7.431Å
- É apresentado que, ao substituir Pb(M1) por Cu(M2), o volume da amostra 1 sofreu contração de 0,48%
- É explicado que Pb10(PO4)6O é um isolante, mas a apatita de chumbo dopada com Cu, Pb10-xCux(PO4)6O, é supercondutora em temperatura ambiente e metálica acima de Tc
Efeito Meissner, levitação e medição de resistência
- Nas amostras 2 e 3, a suscetibilidade diamagnética ZFC/FC foi medida de -73,15°C(200K) até 126,85°C(400K)
- A amostra 2 é um material obtido em recipiente de quartzo sob condição de baixa dopagem de apatita de chumbo
- A amostra 3 é um material produzido com matérias-primas de maior pureza
- A razão da suscetibilidade, comparada ao valor diamagnético do graphite a 20°C, é de aproximadamente 5450 e 22,7, respectivamente
- Os autores consideram que essa grande razão é difícil de explicar sem a presença de uma fase supercondutora
- A amostra 4 é uma amostra tratada termicamente a partir da amostra 2 e é apresentada como tendo mostrado levitação incompleta em temperatura ambiente e pressão ambiente
- A resistividade da amostra 2 foi medida pelo método de 4 pontas sob condição de 30mA, e aparece um salto de resistência próximo de Tc=104,8°C(377,95K)
- Acima de Tc, surge a característica linear de um metal originada da IMT
- Abaixo de Tc, aparece uma faixa que pode ser considerada de resistência zero, com sinal do tipo ruído, na região abaixo de cerca de 60°C
- Na região de cerca de 60°C a 90°C, a resistência aumenta monotonicamente com a elevação da temperatura, o que é interpretado como indicativo do colapso do gap de energia supercondutor
- Na faixa de cerca de 90°C até Tc, a mudança da resistência não é clara, mas é explicado que dσ/dT oscila no estágio final do colapso do gap de energia
- A região de resistência zero corresponde a cerca de 88%(333K/378K) de Tc em Kelvin, sendo comparada como aproximadamente 3 vezes maior que os cerca de 30% típicos de supercondutores convencionais de baixa temperatura
- Os autores interpretam a existência da região de resistência zero como evidência de um supercondutor s-wave, em contraste com a simetria de pareamento dx2-y2 com node
- A curva I-V da amostra 1 mostra característica linear metálica acima de Tc, e é apresentado que a corrente Tc diminui à medida que a temperatura aumenta
- Na análise da curva I-V a 25°C com eixo y em escala logarítmica, observam-se trechos em que, ao ultrapassar um certo limiar de corrente, o gap de energia supercondutor se rompe por aquecimento Joule e a resistência aumenta
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Opiniões no Hacker News
Em uma atualização recente, dizem que o diamagnetismo foi confirmado em uma amostra de replicação de LK-99 muito pequena. O autor publicou que Hao Wu, pesquisador de pós-doutorado, e Li Yang, doutorando, sob orientação do professor Haixin Chang, da Huazhong University of Science and Technology, verificaram pela primeira vez um cristal de LK-99 que levita magneticamente em temperatura ambiente com um ângulo de levitação maior que o da amostra de Sukbae Lee, e que se espera que isso concretize o potencial da levitação magnética supercondutora sem contato em temperatura ambiente
Em uma atualização adicional, dizem que o segundo vídeo mostra que isso não é paramagnetismo
https://www.bilibili.com/video/BV13k4y1G7i1/
É uma tradução da Targum. Pelos comentários e pelo vídeo, parecem alegar que partículas do tamanho de mícrons levitaram, mas não sei bem se é falso
A ideia é que, na estrutura cristalina, há dois sítios de Pb onde Cu pode ser substituído: o sítio de menor energia não faz nada, e o sítio de maior energia é o que produz a supercondutividade
https://arxiv.org/pdf/2307.16892.pdf
Por fim, os cálculos apresentados aqui sugerem que, quando o Cu substitui o Pb(1) no sítio adequado, surgem uma variedade-d d muito plana e isolada, característica central da supercondutividade de alta temperatura, bem como a possibilidade de magnetismo, carga e fônons flutuantes. Por outro lado, quando a substituição ocorre no outro sítio, Pb(2), embora seja um sítio de energia mais baixa, essas propriedades não aparecem; isso sugere que, para obter uma amostra supercondutora em massa, há um desafio de síntese em fazer o Cu entrar no sítio correto
Se a síntese do material for feita de forma errada, deveríamos esperar uma supercondutividade “parcial”, por exemplo uma resistência muito baixa, mas não zero, ou ele só vira supercondutor se tudo estiver exatamente certo e, caso contrário, tem resistência comum? Também me pergunto: em física, um valor ser zero parece praticamente impossível na prática; a supercondutividade é realmente exatamente 0,0000..., ou é apenas tão próxima de zero que se comporta como resistência zero, embora na realidade haja um pouquinho de resistência?
Primeiro, fabricar e medir um supercondutor é algo que até um aluno de graduação consegue fazer, mas explicá-lo exige alguém do nível de um ganhador do Nobel. Segundo, em teoria, entender o mecanismo permitiria melhorá-lo, mas em ciência dos materiais quase sempre se chega a bons resultados apenas por tentativa e erro. Em resumo, o efeito provavelmente é real, mas a explicação provavelmente não é
A cena de usar um equipamento de ressonância paramagnética eletrônica como se fosse um detector de metais de praia é tão engraçada que quase não tem como não ser real
É preciso lembrar que cientistas também são pessoas e podem tentar pegar carona em uma alegação da moda para tornar seu nome conhecido. Não sou especialista, mas estes vídeos não são nada convincentes, e o artigo que simulou o LK-99 no fim das contas é apenas uma simulação; manipulando parâmetros, dá para induzir quase qualquer resultado
Se for possível aumentar a eficiência, o consumo de energia e a confiabilidade dos computadores quânticos atuais em uma ordem de grandeza de um dígito, só isso já poderia impulsionar descobertas tecnológicas em outras áreas e criar um ciclo de avanço autorreforçador. Não se trata apenas de trens ou chips; o ponto central é o potencial de resolver problemas ao melhorar tecnologias difíceis de fabricar e manter, que esse material poderia oferecer. E se descobríssemos, por exemplo, que a comunicação telepática por meio de uma placa no córtex pré-frontal exige um supercondutor de temperatura ambiente em forma cerâmica? É ficção científica, mas, quando se considera máquinas de resolução de problemas muito além da capacidade do cérebro humano de reconhecer problemas, realmente não dá para saber o que pode surgir
O grupo do LK-99 publicou a v2 no sábado da semana seguinte, e é possível que continue atualizando. No contexto de uma divulgação antecipada, muitas das estranhezas dos dois artigos fazem sentido. O primeiro artigo é “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor”, tem Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim e Young-Wan Kwon como três autores, e traz o timestamp de sábado, 22 de julho de 2023, 07:51:19 UTC [1]. O segundo artigo é “Superconductor Pb10−xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism”, tem seis autores — Sukbae Lee, Jihoon Kim, Hyun-Tak Kim, Sungyeon Im, SooMin An e Keun Ho Auh —, foi publicado às 10:11:28 UTC de sábado, 22 de julho de 2023, 2 horas e 20 minutos depois do primeiro, e atualizado às 01:53:47 UTC de sábado, 29 de julho
Em ambos os artigos, o primeiro autor é Sukbae Lee, o segundo é Jihoon Kim, e a afiliação aparece como “Quantum Energy Research center, Inc.”, em Seul. No artigo publicado primeiro, Young-Wan Kwon é o terceiro autor, mas ele não aparece no segundo artigo, que acrescenta quatro autores de várias afiliações. O segundo artigo parece ter sido escrito em LaTeX, e o primeiro em Word. O título e o resumo do primeiro artigo afirmam explicitamente que o LK-99 é um supercondutor em temperatura ambiente, mas o título e o resumo do segundo artigo não fazem essa afirmação de forma explícita. Ainda assim, pela terminologia, há uma nuance de que tratam o LK-99 como um supercondutor
A acusação em [3] é que Young-Wan Kwon publicou o primeiro artigo sem o consentimento do restante da equipe do LK-99, colocou a si mesmo como terceiro autor e removeu os outros quatro autores. A explicação é que, depois disso, o restante da equipe do LK-99 colocou às pressas os dados que tinha no segundo artigo e o publicou 2 horas depois [4]. Isso explicaria por que dois artigos do mesmo grupo foram publicados no mesmo dia, por que as listas de autores diferem e por que apenas o segundo artigo, e não o primeiro, foi atualizado. Não sou especialista na área e li cada artigo apenas uma vez, mas acho que muitos dos erros e das partes bagunçadas dos artigos também podem ser explicados por esse contexto
Por isso, fico cautelosamente otimista de que essa descoberta talvez seja real [5]. Até a noite de segunda-feira, os artigos no arXiv se encaixavam na imagem de um grupo de pesquisa que conseguiu produzir e identificar um supercondutor em temperatura ambiente por meio de um processo de fabricação difícil, mas foi forçado a divulgá-lo cedo. As evidências ainda estão muito longe de permitir concluir que o LK-99 é um supercondutor em temperatura ambiente. Mas uma única falha de replicação também não prova que o LK-99 não seja um supercondutor. Se o processo de fabricação for difícil, é natural que haja dezenas de reproduções fracassadas e algumas bem-sucedidas
Atualizando para a noite de segunda-feira, no horário dos EUA, saíram mais dois artigos sobre a alegação do LK-99, elevando o total a quatro. O terceiro artigo é uma tentativa fracassada de reprodução experimental dos resultados do grupo do LK-99, com o título “Semiconducting transport in Pb10-xCux(PO4)6O sintered from Pb2SO5 and Cu3P”; seus 9 autores são todos do departamento de ciência dos materiais da Beihang University, em Pequim, e o timestamp é segunda-feira, 31 de julho, 16:13:05 UTC [6]. O quarto artigo é uma simulação do LK-99 e observa semelhanças entre o LK-99 e outros materiais supercondutores de alta temperatura. O título é “Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite”; o único autor é da área de ciência dos materiais do Lawrence Berkeley National Lab, na Califórnia, e ele foi divulgado na segunda-feira, 31 de julho de 2023, às 17:58:17 UTC [7]
[1] https://arxiv.org/abs/2307.12008
[2] https://arxiv.org/abs/2307.12037
[3] Este comentário foi originalmente escrito como resposta ao seguinte post: https://news.ycombinator.com/item?id=36952499
[4] No entanto, publicamente, parece que não se sabe se todos os autores concordaram com a divulgação do segundo artigo. Pode ter sido algo feito às pressas por parte do grupo, e também parece igualmente possível que um autor o tenha enviado de forma independente
[5] “Cautelosamente otimista” na verdade quer dizer “fiquei tão empolgado e ansioso que comparei timestamps do arXiv até as 3 da manhã”
[6] link do arXiv: https://arxiv.org/abs/2307.16802
link do HN": https://news.ycombinator.com/item?id=36951140
[7] arXiv: https://arxiv.org/abs/2307.16892
HN: https://news.ycombinator.com/item?id=36951815
Não sei o que Kwon realmente queria com essa confusão, mas parece claro que já havia um grande abismo entre Kwon e os outros autores, e que esse “vazamento” trouxe esse abismo à superfície junto com o LK-99
[1] Já foi apagado, mas há capturas de tela em outros lugares, e a própria análise continua aqui: https://gall.dcinside.com/mgallery/board/view/?id=thesingularity&no=178098
Se isso levar a um Nobel, espero que o espírito esportivo também seja considerado
Redes elétricas sem perdas no mundo todo, trens de alta velocidade, usinas de fusão nuclear e carros voadores soam incríveis. Claro, partindo do pressuposto de que o material é real e que um dia poderá ser produzido em massa. Até lá, vou continuar cético
Não sabia que “Renegade Researcher” podia ser uma expressão realmente possível
No fim, é só um preprint; fico pensando se isso importa tanto assim
Não há revisão por pares, e em alegações de descoberta acho que evidências de laboratório são muito mais importantes do que um preprint
Tenho curiosidade sobre as implicações gerais de um supercondutor em temperatura ambiente. Só sei que normalmente é preciso algo ultrafrio, mas queria entender qual seria o significado prático disso
Para isso, é preciso passar uma corrente enorme por um grande circuito circular; se isso for feito sem supercondutores, gera tanto calor que tudo derrete. Há tentativas de construir isso com supercondutores existentes, mas eles exigem temperaturas criogênicas ou pressões ultra-altas. Este material talvez seja um supercondutor barato que exista em temperatura e pressão normais. Pode ter defeitos que impeçam seu uso direto em reatores de fusão, mas pode nos ensinar como criar supercondutores melhores
O trecho a seguir da patente é bastante sugestivo para quem conhece fabricação de semicondutores. “In addition, various energy sources used for deposition are not limited to chemical vapor deposition (CVD) using heat, but atomic layer deposition (ALD), sputtering, and thermal evaporation, e-beam evaporation, molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), etc. are also included without limitation as long as the raw material can be deposited.”
Os métodos listados são usados na fabricação de semicondutores para introduzir materiais no wafer. Também é importante que o material promocional da empresa tenha descrito a resistência como “1/10^4 menor que a do cobre”. Isso porque o cobre é usado atualmente como condutor nos chips. Antes era alumínio, o que por si só já é uma história interessante: https://en.wikipedia.org/wiki/Copper_interconnects
https://patents.google.com/patent/WO2023027537/en
Em teoria, seriam possíveis computadores absurdos que deixam passar 1000 GW sem esquentar, carros voadores e cabos de energia sem perdas durante a transmissão. Por isso, a ideia de isso ser possível em condições normais também parece meio absurda. Dá para entender tornar um material quase o mais frio possível para que ele não atrapalhe a corrente, ou comprimi-lo tanto que ele fique em algum estado estranho, mas, se ele simplesmente estiver numa sala comum, teria que ser um material completamente insano
Não entendo muito de física, mas fico me perguntando se há algum motivo específico para desejar supercondutividade. Um condutor barato e muito bom não seria suficiente? E, mesmo que o LK-99 seja um supercondutor, isso não significa necessariamente que ele seja útil para computação, certo?
Com certeza existem materiais mais condutivos que o silício, mas imagino que em alguns casos não dê para usá-los em chips por causa de propriedades mecânicas ou outras características físicas
O problema aqui é que a fiação comum entre os transistores, geralmente fios de cobre, acumula calor sempre que passa corrente. Isso limita o quão densamente se pode colocar fiação dentro de um chip. Com supercondutores, seriam possíveis não só processadores muito menores e mais rápidos, mas também muitos projetos que não exigiriam resfriamento. Imagine um chip monstro em consumo, como uma RTX 4090, rodando localmente o LLM mais recente em um celular. É isso que está em jogo, e é por isso que todo mundo quer ser autor do artigo original
MRI poderia ficar muito mais barata, menor e comum com supercondutores em temperatura ambiente. Trens de levitação magnética podem “flutuar” objetos usando o efeito Meissner, em que supercondutores expulsam campos magnéticos, resultando em pouco atrito e altíssima eficiência energética. A computação quântica, na maioria dos projetos, exige supercondutores resfriados, e computadores quânticos portáteis ou chips quânticos acoplados a computadores convencionais praticamente exigiriam supercondutores em temperatura ambiente. Se pensarmos na escala em que baterias modernas viabilizaram de carros elétricos a smartphones, a escala da inovação tecnológica construída sobre isso poderia ser semelhante
O importante é o investimento e a atenção que viriam após a descoberta comprovada de um material assim. Um enorme boom de pesquisa certamente produziria materiais candidatos melhores. O objetivo final ideal seria algo usado como as fitas supercondutoras que já existem, mas funcionando sem resfriamento e, se possível, sem toxicidade
Considerando que a empresa desenvolveu especificamente filmes finos por métodos de deposição, acho razoável ver a computação como a aplicação pretendida. Para mais detalhes, veja os outros comentários
Não sei se é normal que a qualidade das figuras e gráficos seja tão ruim. Se for equipamento de medição, acho que deveria pelo menos permitir exportar CSV, então daria para fazer gráficos gerados externamente decentes em vez de imagens parecendo screenshots pixelados
Não entendo nada de supercondutores nem de ciência dos materiais; alguém consegue resumir a diferença entre o artigo original e este? Sem respostas do ChatGPT
Na minha opinião, o lifthrasiir parece estar certo aqui: https://news.ycombinator.com/item?id=36953052