Possível efeito Meissner próximo à temperatura ambiente em apatita de chumbo com cobre substituído
(arxiv.org)- Na apatita de chumbo com cobre substituído (CSLA), da família LK-99, foram observados histerese M-H abaixo de 250 K e separação ZFC-FC acima de 300 K, mantendo aberta a possibilidade de efeito Meissner próximo à temperatura ambiente
- Para reduzir o ferromagnetismo decorrente do excesso de dopagem com cobre, a equipe escolheu a composição Pb9.1Cu0.9(PO4)6S e produziu a amostra por coprecipitação, tratamento hidrotérmico e calcinação em atmosferas de argônio e oxigênio
- Em 25 Oe, todas as curvas M-T mostraram diamagnetismo, mas em 200 Oe passaram a paramagnetismo, em linha com o Hc1 de cerca de 30 Oe de experimentos anteriores de absorção por micro-ondas em baixo campo
- Nas medições M-H, os sinais na faixa de ±500 Oe a 250 K, 200 K e 100 K foram em geral paramagnéticos, mas abaixo de 10 Oe observou-se um loop de histerese típico de supercondutor
- Como o componente ativo na amostra é muito pequeno, o sinal é extremamente fraco, e a XRD ainda sugere possível interferência de óxidos residuais e sulfeto de cobre, exigindo uma síntese escalável com maior fração ativa
Objetivo experimental de confirmar o efeito Meissner
- O diamagnetismo perfeito, isto é, o efeito Meissner, é um dos critérios básicos para avaliar candidatos a supercondutores
- Para determinar o efeito Meissner, normalmente são necessárias duas observações em conjunto
- uma curva M-T diamagnética com separação entre medições ZFC e FC
- um loop de histerese M-H típico de supercondutor com campo crítico claro abaixo da temperatura crítica
- A apatita de chumbo com cobre substituído (CSLA), ou LK-99, foi citada como candidata a supercondutor de temperatura ambiente, mas o efeito Meissner completo ainda não foi confirmado
- O foco deste estudo está na observação direta da histerese em corrente contínua (dc), que faltava em relatos anteriores
- Lee et al. relataram forte diamagnetismo, mas Habamahoro et al. interpretaram isso como originado de Cu2S
- Nas medições dc anteriores, não havia o loop de histerese crucial, e houve casos observados apenas sob condições de micro-ondas
Fabricação da amostra e procedimento de medição da magnetização
- Para reduzir o sinal ferromagnético, foi projetada e fabricada uma amostra de Pb9.1Cu0.9(PO4)6S com ajuste da dopagem de cobre
- A fabricação seguiu a ordem abaixo
- mistura de fosfato e sulfeto de chumbo em solução aquosa por coprecipitação
- aquecimento sob pressão a 180°C por 24 horas em condição de pH 8
- calcinação a 900°C por 8 horas em atmosfera de argônio
- redução da temperatura para 500°C, seguida de calcinação adicional por 48 horas em atmosfera de oxigênio puro
- resfriamento até a temperatura ambiente na presença de oxigênio
- Segundo estudos anteriores, mesmo com métodos de síntese mais recentes, o componente supercondutor do CSLA é muito pequeno e o campo crítico é fraco, na faixa de dezenas de Oe
- Como um sinal paramagnético forte pode encobrir a possibilidade de supercondutividade em baixo campo, a pureza da amostra é importante, mas reduzir a proporção de dopagem com cobre também pode enfraquecer o sinal observado
- Devido ao forte efeito de memória da fase vítrea de vórtices (vortex glass phase), uma amostra exposta a campo magnético intenso pode reter o histórico de magnetização, exigindo um desenho cuidadoso do procedimento de medição
- Para as medições de magnetização dc, foi usado o MPMS-3 SQUID, com posicionamento manual e dados de momento dc em Fixed Center
- Após medir curvas ZFC em 25 Oe e 200 Oe em uma amostra relaxada sem magnetização inicial, foram medidas curvas M-H em 300 K, 250 K, 200 K e 100 K
- Em seguida, a amostra foi desmagnetizada em campo 0 e resfriada até 10 K, e as curvas ZFC-FC foram medidas novamente para verificar supercondutividade e o efeito de memória da fase vítrea
Diamagnetismo e efeito de memória nas curvas M-T
- As curvas M-T mostraram separação ZFC-FC clara tanto antes quanto depois da varredura de campo magnético
- Em 25 Oe, todas as curvas mostraram diamagnetismo
- Em 200 Oe, apareceu paramagnetismo
- Isso está de acordo com o baixo campo crítico Hc1 = 30 Oe proposto em estudos de absorção por micro-ondas em baixo campo
- A curva ZFC após a magnetização inicial ficou abaixo da anterior e apresentou uma inflexão clara perto de 100 K
- Como a última varredura de campo foi realizada a 100 K e a amostra foi resfriada nesse estado, essa inflexão mostra o efeito de memória da fase vítrea
- Há também um ponto de transição perto de 250 K, que pode ser interpretado como a temperatura crítica Tc
- Em 200 Oe, abaixo de 50 K a curva se dobra para baixo, revelando de forma mais evidente o comportamento vítreo
Histerese M-H observada em baixo campo magnético
- As curvas M-H medidas a 250 K, 200 K e 100 K mostraram sinal essencialmente paramagnético nas regiões de campo magnético forte
- Abaixo de 10 Oe, observou-se claramente um loop de histerese típico de supercondutores
- Como a parte ativa da amostra é muito pequena, a razão sinal-ruído dos dados brutos é relativamente baixa
- Acima de 250 K, não foi possível confirmar histerese
- Surgiu assimetria ao varrer o campo magnético em sentido direto e reverso
- Perto de campo 0, o pico negativo é mais agudo que o pico positivo
- A mesma assimetria já havia sido observada também na absorção por micro-ondas
- A primeira varredura de campo foi no sentido direto, e é possível que a amostra tenha gerado correntes de vórtice relacionadas e retido essa memória, mas isso precisa ser verificado em trabalhos futuros
Magnetização inicial, XRD e incertezas remanescentes
- No loop de histerese, a magnetização em 25 Oe é positiva, mas nas curvas M-T ela aparece negativa, fazendo da curva de magnetização inicial uma variável central para a interpretação
- Ao observar separadamente a curva de magnetização inicial e a primeira curva de varredura reversa, a magnetização abaixo de 50 Oe é negativa na curva inicial
- Isso sugere um mecanismo de magnetização incomum
- Há histerese também em temperatura ambiente, com ponto de separação em cerca de 350 Oe
- Essa histerese também apareceu na absorção por micro-ondas e foi interpretada como originada da fase vítrea de vórtices
- Em temperaturas mais baixas, o ponto de separação aumenta e surgem picos em baixo campo, indicando a possível existência de uma fase Meissner
- Os dados de XRD foram refinados com o módulo Reflex do Materials Studio e são consistentes com as características estruturais da apatita P63/m
- Há pequenas discrepâncias nas faixas de 25–27° e 30–40°, possivelmente oriundas de óxidos residuais
- Mesmo após calcinação prolongada em atmosfera de oxigênio puro, como enxofre foi adicionado intencionalmente no processo de síntese, é difícil eliminar completamente a interferência de sulfeto cuproso
- O diamagnetismo do CSLA foi investigado tanto nas curvas M-T quanto nos loops de histerese M-H, e a observação foi possível até 250 K
- Como ainda há separação ZFC-FC acima de 300 K, permanece a possibilidade de observar supercondutividade em temperatura ambiente, mas os sinais da amostra atual são muito fracos, exigindo a síntese escalável de amostras com maior fração ativa
1 comentários
Comentários no Hacker News
Para dar contexto, havia duas equipes chinesas acompanhando publicamente os supercondutores de temperatura ambiente derivados do LK-99, chamadas informalmente de “equipe do norte da China” e “equipe do sul da China”
A equipe do norte era liderada por Hongyang Wang, em Pequim, e a do sul por Yao Yao, em Guangzhou
As duas equipes usavam métodos diferentes de síntese e análise: a do norte usava síntese hidrotérmica e medições com SQUID, enquanto a do sul usava síntese em estado sólido e medições de EPR
Este artigo é um trabalho conjunto das duas, elas reproduziram os resultados uma da outra, e isso fica vago no artigo, mas é explicado claramente no texto de bastidores
Eles mediram sinais claros de supercondutividade, e 250 K é certo, mas 300 K não é certo, por isso escreveram “near room temperature”
A expressão “possible”, vendo o texto de bastidores, é praticamente uma forma de modéstia
Se você se interessar, vale muito a pena ler o texto de bastidores: https://www.zhihu.com/question/637763289 está em chinês; Hongyang Wang é 真可爱呆, e Yao Yao é 洗芝溪
Da última vez também houve um “possível efeito Meissner”, mas no fim era diamagnetismo
Não há desvantagem em manter uma postura conservadora até que mais evidências se acumulem
“Primeira lei da supercondutividade: fique longe dos físicos teóricos.” Dá vontade de pensar que regras existem para ser quebradas
Também tem um trecho constrangedor em que a pessoa diz que não ficava bêbada havia anos, mas na última sexta-feira continuaram mandando fotos dos resultados experimentais e medições em tempo real, e ela tomou um gole a cada mensagem até desabar completamente, tendo de ser carregada de volta pelos alunos
Porque seria preciso acreditar que, mesmo o LK-99 sendo falso, ao tentar criar uma de suas variações encontraram por acaso um composto que funciona entre inúmeras tentativas
Isso é menos convincente do que vir de uma linha de pesquisa completamente diferente que ainda fosse válida
Já aconteceram coisas mais estranhas na história da ciência e da tecnologia, mas não tantas assim
Aqui, em inglês, “current” é um trocadilho entre corrente elétrica e atual
Também fico curioso sobre quanta pressão esse efeito exige e se há outras condições que limitem o uso prático
250 K são -23°C, ou -9°F, algo como um dia frio de inverno, então dá para dizer que é realmente bem perto da temperatura ambiente
Ainda não é STP, isto é, temperatura e pressão padrão de 0°C/1 atm, mas talvez chegue lá em breve
https://www.indstate.edu/cas/chem_phys/filling-nmr-magnet
Resfriar supercondutores existentes com hélio é caro e exige equipamentos grandes
Se for possível resfriar um supercondutor com um pequeno cooler Peltier ou uma configuração comum de geladeira, isso seria uma vantagem enorme
Pelos padrões do Texas, é difícil concordar que -9°F seja quase temperatura ambiente, mas um freezer às vezes chega nisso
O animador é que basta um único caso real dar certo
Basta um, e parece que a cada ano chegamos mais perto
É preciso ver se tem ductilidade suficiente para virar fio ou chapa, se corrói rápido, se é estável no longo prazo, se faz liga com outros metais com facilidade excessiva
Materiais têm muitas propriedades importantes tanto no contexto de fabricação quanto no de uso, e alguns problemas podem ser resolvidos com outros processos, mas não todos
Ainda assim, encontrar um seria como arrombar a porta de uma sala cheia de possibilidades relacionadas
Até haver reprodução independente, isso não é ciência
Antes disso, fica mais perto de “é interessante, mas não dá para acreditar até que outra pessoa mostre que não foi fraude”
Sempre que alguém faz algo mesmo que um pouco diferente e diz que funcionou, essa contagem volta a zero
A supercondutividade em temperatura ambiente seria uma ruptura enorme, mas ainda haveria muitas barreiras a superar antes de virar um produto real
Link para a foto da amostra flutuando sob um ímã: https://nitter.net/pronounced_kyle/status/174272502945091611...
Uma das teorias famosas para explicar as fotos de “levitação” do LK-99 é que o material em si é diamagnético e repele o ímã, mas contém impurezas de ferro que são atraídas por ele
Assim, um pequeno fragmento de ferro fica preso em um canto do pedaço e gruda no ímã, enquanto a maior parte do resto é repelida, produzindo aquela aparência de “meio flutuando” com só um canto encostando
Com o tempo, passou a dar para reconhecer um padrão consistente em que as amostras ficam inclinadas, quase flutuando, mas nunca totalmente suspensas
Além disso, se a foto for tirada em um quarto escuro com a abertura bem aberta, o ponto onde a amostra toca o ímã pode ficar opticamente borrado
Fotos macro de amostras muito pequenas são especialmente vulneráveis a esse efeito, então pode parecer haver um “vão” visível mesmo quando na prática há contato
Com foco melhor ou empilhamento de foco, ainda apareceria um pequeno ponto de contato com o ímã
Se entendi direito, acho que esse fenômeno de histerese também não poderia ser causado por uma contaminação minúscula de ferro na amostra?
A histerese ferromagnética aumenta conforme a temperatura sobe, mas aqui a histerese é mais forte em temperaturas baixas
O tamanho da histerese observada em baixa temperatura também é grande demais para ser explicado por uma contaminação não detectada
Além disso, os pesquisadores publicaram uma foto da amostra totalmente suspensa de cabeça para baixo, e é bem difícil explicar isso de outra forma
A resposta longa é que talvez possa ser
O sulfeto de cobre apresenta muitos fenômenos estranhos e também é muito fácil afetar o ferromagnetismo de maneiras inesperadas
Também não dá para descartar totalmente a possibilidade de haver muito ferro na amostra, e o enorme incentivo associado a um supercondutor à temperatura ambiente cria uma forte tentação de enviesar os dados ou até manipulá-los: https://www.science.org/content/article/plagiarism-allegatio...
Fico mal com isso porque foi lá que me formei
Não é real até o Anton Petrov fazer um vídeo sobre isso
Depois vejo vídeos do pessoal da PBS, e às vezes também da Sabine, mas não assisto esperando 100% de precisão nem uma checagem mínima por parte deles
Acompanhando um pouco o caso LK-99, me pareceu que o verdadeiro efeito Meissner — ficar flutuando sobre um ímã e, quando tocado, manter outra posição (https://youtu.be/F9ukYM4cSOk?t=11) — era muito diferente do fenômeno diamagnético do LK-99
O LK-99 ficava com uma ponta encostada no ímã e balançava um pouco
Vou continuar cético até mostrarem algo como no vídeo acima
Estou na Finlândia agora e está fazendo -30°C, então, se existissem sapatos de apatita de chumbo substituída por cobre, daria para ir ao trabalho levitando
Quero acreditar, realmente quero acreditar
Eu inclusive
Um mundo em que doença, pobreza, energia, transporte e entretenimento se tornem todos baratos e abundantes; tomara que isso seja real
250 K equivalem a -23,15°C
Hoje, por acaso, procurei a previsão do tempo de Moscou e estava entre -23°C e -26°C
É difícil chamar isso de temperatura ambiente, mas em algumas cidades essa é a temperatura lá fora
Um inverno típico fica acima de -10°C