O primeiro supercondutor a operar em temperatura e pressão ambientes?

 (arxiv.org)
2 pontos por GN⁺ 2023-07-26 | 1 comentários | Compartilhar no WhatsApp
  • Os pesquisadores afirmam que o LK-99, com uma estrutura modificada de apatita de chumbo (lead-apatite), é um supercondutor em temperatura ambiente que apresenta Tc ≥ 400K, 127°C em pressão ambiente
  • Como evidências, apresentam resistência zero e efeito Meissner, junto com temperatura crítica, corrente crítica, campo magnético crítico, e análises de XRD, XPS, EPR, capacidade térmica e SQUID
  • O mecanismo central proposto é que o Cu²⁺ substitui posições de Pb²⁺, gerando uma contração de volume de 0,48%, e que essa tensão distorce a interface da coluna cilíndrica Pb(1), formando um poço quântico supercondutor (SQW)
  • Em amostras de filme fino, foram apresentados tensões na faixa de 0,1µV/cm e resistividade no nível de 10⁻¹⁰~10⁻¹¹Ω·cm, e foi dito que uma corrente crítica de 7mA permaneceu mesmo acima de 400K e 3000Oe
  • A conclusão do artigo é que a supercondutividade do LK-99 em temperatura e pressão ambientes não vem de pressão externa ou baixa temperatura, mas de microdistorções e deformação internas da estrutura

Alegação de supercondutividade do LK-99 em temperatura e pressão ambientes

  • Os pesquisadores afirmam ter sintetizado um supercondutor de temperatura ambiente que opera em pressão ambiente
    • O nome do material é LK-99
    • A estrutura é uma apatita de chumbo modificada (lead-apatite)
    • A temperatura crítica é apresentada como Tc ≥ 400K, ou seja, acima de 127°C
  • O artigo explica que os supercondutores de temperatura ambiente anteriores, baseados em hydrogen sulfide e yttrium super-hydride, exigem pressões extremamente altas, o que dificulta a aplicação em dispositivos do dia a dia
  • O LK-99 é tratado como um caso que resolveu os problemas de temperatura e pressão por meio de uma abordagem química

Medições usadas para avaliar a supercondutividade

  • O artigo apresenta vários itens em conjunto para avaliar a supercondutividade do LK-99
    • Temperatura crítica (Tc)
    • Resistência zero
    • Corrente crítica (Ic)
    • Campo magnético crítico (Hc)

    • Efeito Meissner

      • Análises de XRD, XPS, EPR, capacidade térmica e SQUID
      • As medições tensão-corrente foram realizadas na faixa de 298K~398K em intervalos de 20K
      • As medições foram feitas em vácuo de 10⁻³ Torr com método DC de inversão de polaridade
      • A resistividade das amostras bulk foi medida na faixa de 10⁻⁶~10⁻⁹Ω·cm
      • As amostras de filme fino foram fabricadas por evaporação térmica sobre placas de vidro de precisão
      • A tensão medida ficou na faixa de 0,1µV/cm
      • A resistividade calculada foi de 10⁻¹⁰~10⁻¹¹Ω·cm
      • O artigo considera que esse resultado satisfaz a condição de resistência zero segundo o padrão IEC

Características magnéticas e de corrente que permanecem até 400K

  • Em um campo magnético de 10Oe, os valores de magnetização DC com resfriamento em campo zero e com resfriamento em campo foram apresentados como negativos até 400K
    • Os pesquisadores interpretam isso como evidência de que a fase supercondutora existe até 400K
  • A corrente crítica não era zero mesmo em 400K e acima de 3000Oe, e o valor apresentado foi de 7mA
  • Com base nesses resultados, o artigo conclui que a temperatura crítica do LK-99 é superior a 400K
  • O LK-99 é apresentado em forma policristalina
    • A resistência não uniforme da amostra bulk é associada a contornos de grão, intergranular vortex flow e free vortex flow
    • O material suplementar também inclui observações de fenômenos do tipo Josephson e efeito termoelétrico

Análise estrutural e mecanismo de substituição por Cu

  • Nos resultados de XRD, o LK-99 é apresentado como policristalino, e os picos principais são descritos como bem compatíveis com a estrutura de apatita de chumbo
    • Algumas impurezas de Cu₂S também aparecem
  • Os parâmetros de rede da apatita de chumbo original são a=9.865Å, c=7.431Å
  • Os parâmetros de rede do LK-99 são a=9.843Å, c=7.428Å, e o volume diminui 0,48%
  • A fórmula química estimada é Pb₁₀₋ₓCuₓ(PO₄)₆O, x=0.9~1.0
    • A estrutura é explicada como uma em que aproximadamente um dos sítios Pb(2) da apatita de chumbo é substituído por um íon Cu(II)
  • O tamanho do íon Cu²⁺ é 87pm, e o do íon Pb²⁺ é 133pm
    • A interpretação é que a substituição pelo Cu²⁺, menor, provoca a contração de volume, e essa contração gera tensão na parte da rede
  • Os cálculos de densidade eletrônica e a análise XPS levam à interpretação de que essa tensão afeta a estrutura de coluna cilíndrica Pb(1)
    • A posição de Pb(1) se desloca ligeiramente para dentro ou para fora no plano do eixo a
    • A distância de uma camada da estrutura triangular de Pb(1) diminui de 3.03340Å para 2.61815Å
    • A distância até a camada seguinte aumenta para 5.23476Å
    • A distância entre camadas na direção do eixo c é 3.7140Å, quase igual aos 3.7153Å da apatita de chumbo

Interpretação do poço quântico supercondutor (SQW)

  • O sinal de EPR é apresentado em um formato semelhante ao de poços quânticos de heterojunção como Si/SiGe, DNA natural em estado seco e casos de α-Fe₂O₃ dopado com Mg²⁺
  • Os pesquisadores interpretam esse sinal como um sinal de ressonância ciclotrônica do gás de elétrons bidimensional (2-DEG) do poço quântico
  • Segundo essa interpretação, forma-se um poço quântico supercondutor (SQW) na interface entre Pb(1) e o oxigênio do fosfato
  • A supercondutividade do LK-99 é resumida como profundamente relacionada a esse SQW
  • Os resultados de capacidade térmica também são apresentados como compatíveis com um novo modelo para explicar a supercondutividade do LK-99
  • A conclusão final é que uma estrutura única capaz de manter a microdistorção na interface torna possível a supercondutividade do LK-99 em temperatura e pressão ambientes

Leituras relacionadas

1 comentários

 
GN⁺ 2023-07-26
Opiniões no Hacker News

  • Mesmo que tudo no artigo seja verdade, o material em sua forma atual pode ter aplicações limitadas
    O campo magnético crítico e a corrente crítica apresentados parecem muito baixos. 2500 Oe equivalem a cerca de 0,25 T, e até REBCO passa de 1 T a 77 K. Além disso, 2500 Oe não é um valor obtido na temperatura crítica, mas em uma temperatura bem mais baixa
    Não consegui encontrar o tamanho da amostra usada na medição de corrente, então não dá para saber a densidade de corrente crítica, e uma corrente de cerca de 300 mA por si só tem pouco significado. Por enquanto, parece difícil passar correntes altas, e também parece difícil criar as aplicações representativas da revolução dos supercondutores em temperatura ambiente, como ímãs potentes ou linhas de transmissão. Claro, talvez pequenos ajustes no material já produzam valores altos de J_c e B_c, então espero muito que isso aconteça

    • Se conseguirem produzir monocristais, ou pelo menos aumentar o tamanho dos grãos cristalinos, a densidade de corrente pode melhorar bastante
      Amostras impuras de supercondutores tendem a ficar em um estado meio esponjoso, com regiões supercondutoras e não supercondutoras misturadas, e a seção transversal que de fato transporta corrente muitas vezes não chega a 25%, limitando a corrente crítica. Quando eu fazia YBCO por conta própria no passado, a maior parte era assim, embora às vezes saísse uma boa amostra
      Também existe uma patente de crescimento de monocristais de YBCO: https://patents.google.com/patent/US6046139A/en
      Olhando a foto da amostra na página 7 do artigo, ela realmente parece uma massa esponjosa. Pode ser uma massa esponjosa digna de Nobel, mas ainda é uma esponja. Acredito que os números vão melhorar quando surgirem métodos melhores de crescimento cristalino
    • Se for verdade, eles provaram a possibilidade em si, e isso é um salto enorme
      Uma vez confirmado que é possível, a otimização pode não levar tanto tempo. Transistores já foram enormes, mas hoje estão na escala de nanômetros; células solares também continuaram melhorando; e baterias ficaram mais baratas e melhores do que antes
    • Isto é como o caso do porco dançante. O importante não é quão bem ele dança, mas o fato de que ele dança
    • Isso me lembra a época em que os primeiros supercondutores foram anunciados, em meados dos anos 1980
      Por alguns anos, foi um grande assunto nas notícias para nerds de ciência, e até a New Scientist, voltada ao público geral, publicava textos empolgados. A fusão nuclear ainda estava a 50 anos de distância, mas os supercondutores em temperatura ambiente pareciam estar a poucos anos de chegar — e, claro, não chegaram
      No fim dos anos 1980, quando eu estudava em uma escola particular em Oxfordshire, fomos visitar Culham com a turma de física, e físicos de Culham também foram à escola dar palestras. Pensando agora, foi um privilégio enorme. Agora que estou chegando aos 53 anos, percebo que algumas coisas realmente exigem muito tempo
    • Como ponto de partida, eu gostaria de usar isso para construir meu próprio SQUID. Há experimentos que quero fazer e fenômenos que quero entender, e seria uma grande ajuda não precisar de um aparato criogênico para manter o detector frio
      Também gostaria de usar em antenas, linhas de transmissão e cavidades ressonantes ajustáveis. Na faixa de frequências muito baixas (VLF), muitas vezes são necessários fios muito longos, e, sem orçamento de defesa, a eficiência cai bastante por causa da resistência. Supercondutores poderiam resolver isso
      [1] https://en.wikipedia.org/wiki/SQUID
      [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Aharonov%E2%80%93Bohm_effect
      [3] https://en.wikipedia.org/wiki/Longitudinal_wave#Electromagne...
      [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_radio_frequenc...
      [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Very_low_frequency#Amateur_use

  • Um dos autores do artigo relacionado[1], Hyun-Tak Kim, tem muitos artigos em periódicos revisados por pares[2], e há também trabalhos com mais de 1.500 citações[3]
    Não sei onde está a pegadinha, mas parece bastante legítimo. Ao contrário de alegações anteriores, a reprodução não parece exigir equipamentos complicados, e esta síntese parece muito simples, então acho que os resultados de outros pesquisadores devem sair em breve

    1. Superconductor Pb10-xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism: https://arxiv.org/pdf/2307.12037.pdf
    2. Google Scholar: https://scholar.google.com/citations?user=_P8mux4AAAAJ&hl=en
    3. Mott transition in VO2 revealed by infrared spectroscopy and nano-imaging: https://scholar.google.com/citations?view_op=view_citation&h...
    • Também encontrei um artigo anterior ao LK-99 publicado em abril de 2023 no Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology. Como não sei ler coreano, não consegui tirar muita coisa dele: http://journal.kci.go.kr/jkcgct/archive/articleView?artiId=A...
    • Diferentemente do caso de Rochester, este parece ser um bom experimento, verificando vários indícios de supercondutividade
    • Um ponto problemático é que, por causa do uso de chumbo, as áreas de aplicação podem ficar bastante limitadas
    • Até dá para acreditar na supercondutividade, mas o fato de LK-99 já ser uma marca registrada parece passar dos limites
    • Um supercondutor Pb10-xCux(PO4)6O que levita em temperatura e pressão ambientes parece uma piada de 1º de abril atrasada
      Mais do que o fato de levitar em si, o espantoso é o quanto isso mudaria o mundo se realmente for um supercondutor em temperatura e pressão ambientes e ainda for fácil de fabricar. Parece bom demais para ser verdade

  • O método de fabricação descrito no artigo relacionado[1] é bem simples e parece possível até fazer em casa com um forno doméstico de fusão de metais de US$ 200 vendido na Amazon e os precursores
    Se for verdade, acho que o pessoal esperto do Hackaday ou do YouTube vai reproduzir em alguns dias ou semanas
    Se for real, há ganhos óbvios em transmissão e geração de energia, e a existência de um supercondutor em temperatura ambiente pode fazer as aplicações de engenharia explodirem. Seria parecido com a forma como as baterias de íon-lítio mudaram lentamente o uso de energia em toda a sociedade, mas talvez mais rápido. Espero que seja reproduzido
    [1] https://arxiv.org/pdf/2307.12037.pdf página 3

    • Para deixar o aviso óbvio: se você não tiver um entendimento razoavelmente bom de segurança em laboratório químico, é melhor não tentar fazer isso por conta própria
      É mais provável que você contamine seu terreno e o dos vizinhos do que consiga reproduzir o resultado
    • Estou ansioso pelos vídeos do Nile Red e do Applied Science
    • Se houver alguém na região de Twin Cities querendo tentar fabricar junto, poderia ser um projeto em grupo divertido
    • Espero que não mandem fumaça de chumbo para a casa do vizinho

  • O artigo irmão[0] tem uma foto do material levitando sobre um ímã pelo efeito Meissner, e afirma que há também um vídeo
    Parece ser uma de duas coisas: ou a foto foi descaradamente editada no Photoshop, ou eles de fato fizeram um supercondutor em temperatura ambiente. Tenho dificuldade de imaginar um erro sutil que explique uma levitação magnética à temperatura ambiente sem que seja um supercondutor
    [0] - https://arxiv.org/abs/2307.12037

    • Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=EtVjGWpbE7k
      Alguém, por favor, me ajude a conter a empolgação. Estou empolgado demais
    • O vídeo linkado na aba de mídia relacionada do arXiv parece ser este: https://sciencecast.org/casts/suc384jly50n
    • Antes de tudo, sou só um cientista de sofá, e até essa expressão talvez seja exagerada
      Ainda assim, no vídeo eles dizem que revestiram cobre com uma película fina de supercondutor, mas fico pensando se cobre puro também não poderia apresentar um efeito parecido por causa de correntes parasitas. Não sei bem que efeito a película fina tem sobre a placa neste experimento, e, se eu estiver deixando passar algo, gostaria que alguém explicasse

  • Isso pode ser bem maior do que parece
    O resumo diz que “a supercondutividade do LK-99 se origina de uma pequena distorção estrutural causada por uma leve contração de volume”
    Já houve pesquisas antes sobre como mudanças no arranjo da estrutura atômica, por resfriamento etc., afetam a supercondutividade. Acho que os pesquisadores estavam tentando manter, mesmo após o aquecimento, o espaçamento dos supercondutores no estado frio. Isso parece estar na mesma linha desse trabalho, mas não consegui encontrá-lo de novo, então me corrijam se eu estiver errado
    Ainda pode ser bastante frágil e difícil de lidar, mas a possibilidade parece real

  • O gráfico da página 3 é exatamente o que se esperaria de um supercondutor real. Especialmente a relação entre corrente, tensão e temperatura
    Não sei como um gráfico desses surgiria a menos que eles tenham criado um supercondutor ou manipulado os dados de forma descarada. Pode ser algo enorme

    • Minha primeira reação foi: “Espero muito que isso seja real e que o software de coleta de dados não tenha ficado em modo de simulação”
      Se for reproduzido, será um acontecimento histórico; se não for, vira algo como fusão a frio em temperatura ambiente ou neutrinos mais rápidos que a luz

  • Vale a pena ler esta thread de comentários de pesquisadores de supercondutividade: https://www.reddit.com/r/worldnews/comments/159g2k4/comment/...
    Eles dizem que o artigo tem muitos problemas e não atende aos padrões atuais da pesquisa em supercondutividade. Um deles chega a dizer que a pesquisa de Dias é mais plausível do que esta

    • As críticas são válidas, mas logo abaixo alguém perguntou se eles tinham mesmo lido o novo artigo. Parece haver um artigo antigo separado, mas ainda não houve resposta
    • A crítica à Figura 1b não me convence muito. As medições de resistência em 1a e 1c mostram a resistência zero aparecendo e desaparecendo quase exatamente como esperado em função da temperatura e do campo magnético
      Parece improvável que a conexão tenha se rompido e depois se reconectado exatamente da maneira certa. Ainda assim, continuo bastante cético

  • Se for verdade, é algo enorme. Não sou especialista em química, mas a síntese parece basicamente trivial — se você considerar um vácuo de 10e-5 torr algo trivial —, e os materiais parecem metais-padrão fáceis de obter
    Pela descrição, parece até que daria para fazer em casa. O espaço de busca é inimaginavelmente grande, então existe a possibilidade de um material desses existir, mas a qualidade do artigo em si não chega a ser motivo de comemoração
    Vou manter um ceticismo saudável até que cientistas de materiais de verdade avaliem ou que outra pessoa reproduza

    • Já fiz supercondutores YBCO várias vezes na garagem, e o método de síntese em estado sólido do artigo é muito parecido com o usado por hobbistas
      Na verdade, parece que nem é necessário o recozimento lento e cuidadoso em atmosfera de oxigênio fluindo, que normalmente é exigido. Não me surpreenderia se também fossem possíveis métodos ainda mais simples
      Por exemplo, um dos métodos rápidos de síntese de YBCO usa um pequeno barquinho de alumina, lã de vidro, um micro-ondas doméstico de 800 W e uma mistura de precursores ligeiramente modificada. Durante o aquecimento, a mistura libera oxigênio, que fica preso na lã de vidro ao redor da amostra, dispensando a conexão de um concentrador de oxigênio. Pelo que me lembro, a preparação da amostra leva só uns 15 minutos
      É realmente empolgante. Li centenas de artigos sobre fabricação e testes de supercondutores ao longo dos anos e, pelo menos do ponto de vista de um cientista maluco cidadão, isto parece ter todos os sinais de legitimidade
    • Dei uma olhada rápida na parte de síntese do material, isto é, no início do material suplementar, e concordo. A síntese é trivial
      Um vácuo de 10e-5 também é facilmente alcançável com uma bomba turbomolecular apoiada por uma bomba mecânica, e não é um equipamento especial nem caro
    • Quer dizer que dá simplesmente para fabricar um material que, segundo eles, apresenta supercondutividade? Se não houver requisitos especiais, a reprodutibilidade deve ser resolvida em breve
    • Um vácuo de 10e-5 torr não é nada difícil
      A soldadora por feixe de elétrons no trabalho mantém 10E-6/10E-7 o dia todo na câmara do E-gun apenas com uma pequena bomba turbomolecular ou bomba de difusão. A câmara também não é de nenhum material especial, só aço inoxidável ou alumínio e O-ring de Viton
    • Um vácuo de 10e-5 torr não é nada difícil
      A soldadora por feixe de elétrons no trabalho mantém 1E-6/1E-7 o dia todo na câmara do E-gun apenas com uma pequena bomba turbomolecular ou bomba de difusão. A câmara também não é de nenhum material especial, só aço inoxidável ou alumínio e O-ring de Viton
      Nos meus pequenos experimentos com e-gun, chego a cerca de 3E-3 usando apenas uma Alcatel Pascal 2008. Agora estou montando um sistema maior com uma bomba de difusão VHS4 e cold trap, e parece que entrará facilmente na faixa de -6

  • É um artigo interessante. Espero que não siga o mesmo roteiro de outra equipe que, em 2020, alegou ter um supercondutor em temperatura ambiente e depois se revelou fraude
    https://www.nature.com/articles/d41586-023-02401-2

    • A alegação daquela outra equipe era muito complexa de avaliar nos próprios dados específicos que indicariam supercondutividade, e a metodologia exigia altas pressões, tornando a reprodução muito difícil. No fim, os resultados eram falsos e não puderam ser reproduzidos
      Esta alegação é muito simples de entender e também é muito consistente com supercondutividade. O fenômeno aparece em escala macroscópica sob pressão e temperatura normais, há também um vídeo que não faria sentido sem supercondutividade e, acima de tudo, a receita de fabricação do material é muito simples
      Não deve ser difícil para laboratórios do mundo todo reproduzirem, e vários YouTubers também devem conseguir. Ou seja, este resultado pode ser falso, mas, para isso, os resultados, vídeos e fotos teriam todos de ser fabricados. E como a reprodução é tão fácil, isso seria descoberto muito rapidamente
      Se for verdade, a maioria das reproduções pode acontecer em algumas semanas, principalmente por causa do tempo de obtenção dos materiais. Levará mais tempo até sair em artigo, mas YouTubers talvez sejam mais rápidos. Não será uma situação em que só daqui a 2 anos descobriremos que era fraude; no máximo em alguns meses saberemos se YouTubers conseguem reproduzir, e em até 1 ano também ficará claro se laboratórios conseguem reproduzir

  • Dei uma passada pelo artigo e, apesar de eu não ter nenhuma expertise na área, ele parece um artigo formal
    Só que o fato de ter sido escrito em Word, e não em LaTeX, o torna um pouco menos convincente; e, claro, também pode haver algum erro no aparato experimental
    O que mais me chamou a atenção foi a explicação de que isso foi feito em um filme fino, e que defeitos estruturais criam deformações no material, e essas deformações possibilitam a supercondutividade. Talvez por ser um filme fino, a 25°C ele só aguentou cerca de 250 mA antes de perder a supercondutividade. Mesmo que o artigo esteja certo, pode ser difícil chegar a correntes mais altas. Ou talvez seja possível enrolar um filme fino largo e passar tanta corrente quanto se queira
    Correção: li errado a parte do filme fino. Eles também fizeram filmes finos, mas o material de teste descrito principalmente é algo como “após a reação, obtivemos de forma reprodutível um lingote cinza-escuro e o transformamos em um paralelepípedo fino para medições elétricas”; não consegui encontrar rapidamente as dimensões

    • Para simplificar, vou usar uma formulação que aceita as alegações do artigo, mas continuo cético
      Supercondutores têm um orçamento[1] compartilhado entre campo magnético, temperatura e corrente. A 25°C, o material está perto da temperatura crítica, então é natural que sua capacidade de conduzir corrente diminua. Em temperaturas mais baixas, o filme fino deveria conseguir conduzir mais corrente
      Ainda assim, se a ideia for fazer uma CPU supercondutora, 250 mA é corrente suficiente
      [1] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/scbc2.html
      Acrescentando depois de ler o artigo: eles afirmam uma temperatura crítica muito alta, de cerca de 126°C. Na Figura 1e dá para ver a dependência com a temperatura; ela está bem mais distante da temperatura crítica do que eu esperava, e à temperatura ambiente parece que mesmo um resfriamento pequeno já produz um efeito grande. Estou muito ansioso pelas tentativas de reprodução. Ainda assim, esse material parece ser essencialmente próximo de uma molécula bidimensional. Depositamos esperança no graphene por décadas, mas ainda não conseguimos integrá-lo a processos escaláveis
    • Acho engraçada demais a frase “dei uma passada pelo artigo e, apesar de eu não ter nenhuma expertise na área, ele parece um artigo formal”
    • Fico curioso para saber quanto LaTeX é usado em artigos fora da ciência da computação. Os pesquisadores de medicina que conheço geralmente escrevem artigos no Word
    • Camadas finas podem ser empilhadas
      O mais interessante é a flexibilidade. Os supercondutores cerâmicos atuais resfriados com nitrogênio líquido não são nada flexíveis e quebram com facilidade. Podem servir bem para linhas de transmissão, mas são complicados para várias bobinas
    • Então imagino que isso possa ser um ótimo sensor, parecido com uma junção Josephson
      Atualização: pela resposta do artigo, “sim”. Ele diz que “também foram observados fenômenos semelhantes ao Josephson em junções supercondutor-metal normal-supercondutor subamortecidas ou em supercondutores acoplados entre grãos, além de efeitos termoelétricos entre os grãos ou nas redes internas”