Gyorsabb számítógépek, hatékonyabb elektromos hálózatok, lebegő vonatok, fúziós erőművek – egy sor lenyűgöző és a mindennapjainkra is hatással lévő technológiai fejlesztés, amelyekben van egy közös pont: mindegyikhez jól jönne egy olyan anyag, amelyet egyelőre senkinek sem sikerült megalkotnia. Ennek az új anyagnak azt kellene teljesítenie, hogy szobahőmérsékleten és normál légköri nyomás alatt is szupravezető legyen, azaz ellenállás nélkül vezesse az elektromosságot, és kizárja a mágnesességet.
Dél-koreai kutatók a napokban azt állították, hogy a világon elsőként sikerült létrehozniuk egy ilyen anyagot, ami hihetetlen szenzáció lenne – a feltételes módot az indokolja, hogy egyelőre számos kutató nem is hiszi el.
Pedig ha bebizonyosodna, hogy igazuk van, az valóban nagy tudományos áttörést jelentene. Drasztikusan csökkenne egy sor olyan technológia költsége, mint az MRI vagy az űrbéli rádióantennák, de a számítástechnika, a vezeték nélküli kommunikáció vagy a közlekedés terén is nagy fejlődés indulhatna meg. Az új típusú szupravezetők az energiaellátás forradalmasítását ígérő fúziós erőművek megépítésének is lökést adnának (lenne is ezeket hova lökdösni: a világ első kísérleti fúziós erőműve, az ITER többéves csúszással és megugró költségekkel épül), de magyar kutatók is szupravezetőkre alapozva fejlesztenek forradalmian új csipeket, amelyek a kvantumszámítógépekhez is jól jöhetnek majd.
Mi a frász az a szupravezető?
Az elektromos áram vezetése szempontjából alapvetően kétféle anyag létezik, és már a nevük sem árul zsákbamacskát: a szigetelők egyáltalán nem vagy legalábbis csak elhanyagolható mértékben vezetik az áramot, míg a vezetők különböző mértékben, de képesek erre (a szintén beszédes nevű félvezetők pedig nem kettévágott miniszterelnökök, hanem az áramot gyengén vezető anyagok). Minél kisebb az anyag ellenállása, annál jobban vezeti az áramot, ezért annál hatékonyabbá és olcsóbbá tesz minden olyan feladatot, amelyhez elektromos áramra van szükség – azaz elég sok mindent.
Szupravezetőnek azokat az anyagokat nevezzük, amelyeknek az ellenállása egy bizonyos hőmérsékleten nullára esik, ezért az áram úgy haladhat át rajtuk, mint kés a vajon. Ez azért lehetséges, mert míg az elektronok a kristályos szerkezetű anyagok rezgő atomjai között pattogva nehezen haladnak keresztül, bizonyos anyagokban a megfelelő hőmérsékleten az elektronok lazán összekapcsolódó, egymást fedő párokba állnak össze, amelyeket nem lehet lepattintani a párok szétbontása nélkül, ehhez azonban az alacsony hőmérséklet miatt az anyag atomjai nem rezegnek elég erősen.
A szupravezetők másik sajátossága, hogy a megfelelő hőmérsékleten diamágnesesek: kiszorítják magukból a mágneses teret, azaz taszítják a mágneseket. Ezt hívják Meissner–Ochsenfeld-hatásnak, és ez teszi lehetővé azokat a látványos képeket és videókat, amelyeken különféle szupravezető anyagok mágnesek fölött lebegnek.
A kulcskérdés az a bizonyos hőmérséklet, amely a ma ismert szupravezetőknél rendkívül alacsony kell, hogy legyen, illetve a nyomás, amelyből viszont nagyon nagyra van szükség, hogy a dolog működjön.
Ez az a két feltétel, amely akadályként tornyosul a szupravezetőkkel kapcsolatos áttörés és így számos iparág forradalmasítása előtt – és ebből kifolyólag tudósok hada egy évszázada dolgozik azon, hogy sikerüljön átugrani ezeket az akadályokat.
Ez a törekvés pedig egyáltalán nem is sikertelen. A szupravezetés jelenségét Heike Kamerlingh Onnes Nobel-díjas fizikus fedezte fel még 1911-ben, azóta pedig már több tucat ilyen anyagot ismerünk. Ilyenek például az olyan fémek, mint az ólom, a higany, a niobium, az ón és ezek ötvözetei, ha abszolút nulla fok (nulla Kelvin, azaz -273,15 Celsius-fok) közelébe hűtik őket.
A nyolcvanas évektől aztán sikerült azonosítani több olyan komplex vegyületet, amelyek már jóval magasabb hőmérsékleten, akár 133 Kelvinen (-140,15 Celsius-fokon) is szupravezetővé váltak. Ezek az úgynevezett magas hőmérsékletű szupravezetők, amelyekben szintén az elektronok párosítása a jelenség kulcsa, de ez más úton jön létre.
Megrendült a bizalom
Az elmúlt években azonban nemcsak az óriási potenciál miatt volt forró téma a szobahőmérsékletű szupravezetők kutatása, hanem olyan kudarcok miatt is, amelyek miatt a terület bármilyen ígéretes új eredményét gyanakvással fogadják a tudósok. 2020-ban nagy figyelmet kapott az a tanulmány, amelynek a szerzői azt állították, hogy sikerült szobahőmérsékleten – igaz, csak nagy nyomás alatt – működő szupravezetőt előállítaniuk. A szerzők módszereit azonban több kutató kritizálta, és végül a Nature két évvel később vissza is vonta a tanulmányt.
Fél évvel ezután, idén márciusban ugyanezek a kutatók előálltak egy újabb jól hangzó eredménnyel: szobahőmérsékleten és valamivel alacsonyabb nyomás alatt is működő szupravezetővel. Kisvártatva azonban kiderült, hogy más kutatók nem tudják megismételni az eredményeket (ami az ilyen kísérleteknél nagyjából azt jelenti, hogy valami nem stimmel), bár egy hónappal ezelőtt voltak arra utaló jelek, hogy mégis stimmelhetnek. A két tanulmány mögött álló kutatót azóta csalással is vádolják.
Az évtizedek alatt tehát sikerült tyúklépésről tyúklépésre közelebb araszolni a célhoz, még úgy is, hogy néha visszafelé is kellett tenni néhány lépést, amikor ígéretes eredményekről kiderült, hogy mégsem azok. Az áramvezetés Szent Grálját, a szobahőmérsékleten és normál légköri nyomáson működő szupravezetőt azonban még nem sikerült felfedezni – a dél-koreai kutatók azonban most azt állítják, hogy nekik igen.
Úgy hápog, mint egy kacsa, úgy úszik, mint egy kacsa
A virginiai College of William & Mary és a szöuli Kvantumenergia Kutatóközpont kutatói több ólom-, oxigén-, kén- és foszfortartalmú, porított vegyületet kevertek össze, majd az egészet több órán keresztül magas hőfokon hevítették, míg a hőre beinduló kémiai reakciók hatására szilárd, sötétszürke anyaggá állt össze, amelynek az LK-99 nevet adták. A különböző méretű betűk és számok kedvelőinek a pontos képlet: Pb₁₀₋ₓCuₓ(PO₄)₆O, ahol x 0,9 és 1,1 közötti érték.
Ezután mintát vettek az új anyagból, és elkezdték vizsgálni, hogy milyen hőmérsékleten mekkora ellenállást tanúsít a rajta áthaladó elektromos árammal szemben. 105 Celsius-fokon ez az ellenállás még jelentős volt, 30 fokon azonban hirtelen nulla közelébe esett. Ugyanígy tesztelték azt is, hogyan reagál a mágneses mezőre, és megállapították, hogy az LK-99 a Meissner-hatást is produkálja ugyanabban a hőmérséklet-tartományban, amelyben az ellenállása is szinte nulla – azaz mindkét fő követelményt kipipálhatták.
A kísérleteik eredményeit a kutatók, az arXiv nevű oldalon tették közzé, amely a preprint, azaz függetlenül tudományos lektoráláson még át nem esett tanulmányok egyik legnagyobb platformja. Két összefüggő cikket töltöttek fel július 22-én, illetve egy kapcsolódó videót is a mágneses tesztről. Áprilisban egyébként egy lektorált dél-koreai folyóiratban már megjelent a mostani kísérletek előzménye, a csapat néhány kutatója pedig még tavaly augusztusban elindította az LK-99 szabadalmaztatását is.
Ahogy a videón is látszik, a teszt során az érmeméretű LK-99-darabka valóban lebeg a mágnes fölött, de csak az egyik fele, míg a másik a mágnesen pihen. A kutatók szerint ennek az az oka, hogy az anyagból vett minta tökéletlen, így csak egy része vált szupravezetővé.
Kacsa?
A dél-koreai kutatók eredményeit azonban több szakértő is kétkedéssel fogadta. Susannah Speller és Chris Grovenor, az Oxfordi Egyetem szupravezetőkkel foglalkozó anyagkutatói szerint például ha egy anyag valóban eléri a szupravezető állapotot, annak számos mérőszámban világosan meg kellene jelennie. Az LK-99 állítólagos szupravezetőségének két fontos jellemzőjét, a mágneses mezőre adott reakcióját és az úgynevezett hőkapacitását azonban a közzétett adatok nem támasztják alá egyértelműen. „Tehát még túl korai lenne azt mondani, hogy meggyőző bizonyítékot kaptunk a szupravezetésre ezekben a mintákban” – mondta Speller a New Scientistnek.
Más kutatók is szkeptikusan nyilatkoztak a lapnak, többek között felvetve, hogy egyes eredményeket nemcsak a szupravezetőség magyarázhat, hanem a kísérleti eljárás és az anyagból vett minta hibái is. Van olyan szakértő is, aki azokat az elméleti modelleket is megkérdőjelezi, amelyekkel a dél-koreai kutatók azt magyarázzák meg, miért válhatott szerintük az eddigiektől ennyire eltérő körülmények között is szupravezetővé az általuk létrehozott anyag.
„Igazi amatőröknek tűnnek. Nem sokat tudnak a szupravezetésről, és ahogyan néhány adatot bemutattak, az eléggé gyanús”
– mondta a Science magazinnak Michael Norman, az amerikai Argonne Nemzeti Laboratórium tudósa, de azt is hozzátette, hogy az Argonne-ban és máshol is már javában dolgoznak a kutatók az eredmények reprodukálásán. „Nagyra értékelem, hogy a szerzők megfelelő adatokat vettek és világosan fogalmaztak a gyártási technikájukról. Mégis, az adatok egy kicsit hanyagnak tűnnek” – mondta Nadya Mason, az urbana-champaign-i Illinois-i Egyetem kutatója is.
A kutatásban részt vevő Kim Hjun-Tak a New Scientistnek azt mondta, hogy tisztában van a kétkedő hangokkal, de mindenkit arra bátorít, hogy próbálja meg reprodukálni a csapata munkáját, hogy tisztázhassák a vitákat. Állítása szerint már folyamatban van az eredményeik publikálása lektorált szaklapban is, és ha ez megtörténik, mindenkit támogatni fog, aki szeretné létrehozni és tesztelni az LK-99-et. Ő egyébként a két cikk közül csak az egyikben szerző, erről a lapnak azt mondta, hogy a második cikk tele van hibákkal, és azt az ő engedélye nélkül töltötték fel az arXivre. Mindenesetre amíg a cikkük hivatalos megjelenésére várnak, a kutatók tovább dolgoznak a mintáik tökéletesítésén és a tömeggyártása előkészítésén – mondta.
Ha az általuk fejlesztett anyagon nem is, magukon a tudósokon most óriási a nyomás, hiszen ha sikerülne a szkeptikusokat is meggyőzve bizonyítaniuk, hogy valóban azt hozták létre, amit állítanak, az óriási áttörést jelentene az elektromosság felhasználásában. Ezt a nyomást pedig csak tovább növeli, hogy a terület legutóbbi szenzációsnak tűnő eredményéről később kiderült, hogy nem pont úgy történt a dolog, ahogy az érintett kutatók állították. Az, hogy ebben az esetben is erről van-e szó, feltehetően hamarosan kiderül.