Magyar kutatók is vizsgálhatják a titokzatos LK-99-et, ami állítólag szobahőmérsékleten is szupravezető
Több mint egy hete lázban tartja az internetet az LK-99 nevű anyag, amiről dél-koreai szakemberek azt állítják, hogy szupravezetésre képes szobahőmérsékleten és normál légköri nyomáson. Az anyag erre utaló jellemzőinek lehetséges okait azóta az amerikai Energiaügyi Minisztérium (Department of Energy, DoE) alá tartozó nemzeti laboratóriumok kutatói szuperszámítógépeken végzett szimulációkon keresztül próbálják megfejteni, valamint világszerte több laboratóriumban igyekeznek szintetizálni és reprodukálni állítólagos tulajdonságait.
Elképzelhető, hogy ebbe hamarosan magyar szakemberek is bekapcsolódnak. Újfalussy Balázs, a Wigner Fizikai Kutatóközpont Szilárdtestfizikai és Optikai Intézet Elméleti Szilárdtestfizika Osztályának vezetője a Qubitnek elmondta, hogy megpróbálnak majd számítógépes szimulációkkal, úgynevezett sávszerkezet-számítással betekintést nyerni az LK-99 tulajdonságaiba, az eddigi külföldi próbálkozásoktól némileg eltérő, de azokhoz hasonlóan nagy teljesítményű számítógépeket igénylő módszerrel.
Emellett a kísérleti oldalon dolgozó kollégáival egyeztet az anyag magyarországi előállításának és vizsgálatának lehetőségéről, ami szerinte a dél-koreaiak által közreadott leírás alapján körültekintő, dedikált vegyészi munkával, standard módszerekkel összehozhatónak tűnik.
A kutató a fúziós energiatermelés megvalósítása mellett a szobahőmérsékletű szupravezetők létrehozását nevezte az emberiség előtt álló két hatalmas technológiai kihívásnak, amelyek megoldása ugyan rendkívül nehéz feladat, de a várható nyereség miatt nem lehet felhagyni velük.
Mik azok a szupravezetők?
A szupravezetők legfontosabb tulajdonsága, hogy – ahogy nevük is mutatja – nulla ellenállással vezetnek áramot. Ezt először 1911-ben figyelte meg Heike Kamerlingh Onnes holland fizikus, amikor egy higanyvezetéket a -273 Celsius-fokos abszolút nullához közeli, néhány kelvines hőmérsékletre hűtött. Az ilyen, úgynevezett hagyományos szupravezetők közül a nióbium képes a legmagasabb hőmérsékletű, 10 kelvin körüli szupravezetésre, ami miatt részecskegyorsítók szupravezető mágneseiben, valamint MRI-berendezésekben is használják.
A szupravezetők, azon túl, hogy nulla ellenállással vezetnek áramot, a Meissner-effektus következtében kiszorítják a mágneses teret, ezért egy szupravezető fölé helyezett mágnes, vagy egy mágnesek fölé helyezett szupravezető lebeg. Mivel a szupravezetők nagy áramot képesek vezetni, egy tekercsben rendkívül erős mágneses teret lehet velük létrehozni. Ezért az MRI-k és a Nagy Hadronütköztetőhöz (LHC) hasonló részecskegyorsítók mellett a fúziós kísérletekben is alkalmazzák őket. „Az ITER-nek az egyik paradoxonja, hogy a több millió fokos anyagot egy -273 fokos szupravezető mágnessel kell helyben tartani” – mondta Újfalussy.
Nagyon hosszú ideig nem tudták megmagyarázni, hogy mitől létezik a szupravezetés, amelynek elméleti hátterét a John Bardeen, Leon Neil Cooper és John Robert Schrieffer által 1957-ben lefektetett BCS elmélet alapozta meg, amiért a fizikusok 1972-ben Nobel-díjat kaptak. „Az elmélet lényege, hogy abban az esetben, ha valahogy össze tudunk párosítani két elektront, amelyeknek ellenkező irányú a spinje, vagy mágneses momentuma, akkor azok egy egységet, úgynevezett Cooper-párokat alkotnak” – tette hozzá. Ezek a Cooper-párok más tulajdonsággal rendelkeznek, mert így már nincsen eredő spinjük, ezért bizonyos értelemben eltérő részecske kategóriába kerülnek, és ezért ellenállás nélkül tudnak áthatolni az anyagon. Az elektronok Cooper-párokba állása mögötti hajtóerő az elektron-fonon kölcsönhatás, amelynek felső hőmérsékleti határa 30 kelvin körüli.
„Sokáig úgy gondoltuk, hogy a 30 kelvin, az aztán kőbe van vésve. Ezért okozott meglepetést az, amikor a 90 kelvines szupravezetőket felfedezték” – mondta Újfalussy, akinek a tudományos pályájának kezdetén talált rá erre a következő lépcsőre Georg Bednorz német és Karl Alex Müller svájci fizikus. Az általuk vizsgált kerámiák 30-90 kelvin között mutattak szupravezetést, ami már lehetővé tette folyékony hélium helyett folyékony nitrogénnel történő hűtésüket. A kutató szerint sok elmélet van, ami ezeknek az anyagoknak a szupravezetési képességét próbálja megmagyarázni, de elfogadott még nincs.
Újfalussy a Hosszútávú Rend Kondenzált Rendszerekben Kutatócsoportban kollégáival számítógépes szimulációkon keresztül vizsgál szupravezető anyagokat. Olyan szupravezető heteroszerkezetekkel foglalkoznak, amelyeken egy rétegből, vagy pár atomból álló kis, mágneses nanoszerkezeteket raknak a szupravezetőre. „A mágnesesség és a szupravezetés nem nagyon jön össze, de hogyha a szupravezető egy nagy anyagdarab, a mágnes pedig egy nagyon pici anyagdarab, akkor nem várjuk, hogy a mágnes lenyomja a szupravezetést” – mondta. A kettő határán viszont érdekes jelenségek fordulnak elő, amik vizsgálata távlatilag a kvantumszámítógépekben használatos kvantumbitek szempontjából lehet jelentős. A számításokat, amelyek amennyire csak lehet, realisztikusak, Újfalussy és kollégái egy saját fejlesztésű, a világon egyedülálló számítógépes programmal végzik. Ennek futtatásához már egy, az épületben található, szerverekből álló számítógépklaszterre van szükség, nagyobb kapacitást igénylő projektekkel pedig hazai vagy nemzetközi szuperszámítógép-központokba jelentkeznek be.
Hamarosan kiderülhet, hogy valóban szobahőmérsékletű szupravezető-e az LK-99
Magas hőmérsékletű szupravezetőkkel foglalkozó kutatásokra mostanában nehéz volt forrást szerezni, és ezeket a bejelentéseket a kutatói közösség egészséges szkepticizmussal fogadja már, mondta a kutató. Erre szerinte jó példa, hogy az Amerikai Fizikai Társulat (APS) idén márciusi kongresszusán volt egy nagy érdeklődésre számot tartó előadás egy kutatócsoporttól, amely szobahőmérsékletű és elérhető nyomáson jelentkező szupravezetést mutatott be, de azt nem ováció, hanem inkább szkeptikus csend fogadta, mert ez a kutatócsoport már egyszer tett egy ilyen állítást, amiről később kiderült, hogy téves.
Újfalussy szerint az LK-99 esetén értékelendő, hogy a szakemberek az arXiv repozitóriumra feltöltött preprintként közölték az eredményeket és nem a New York Times-ban szellőztették meg azokat, valamint az is, hogy a márciusi előadással ellentétben leközölték az anyag összetételét, szerkezetét és az előállítás módját. Ez a kísérleteket elvben könnyen megismételhetővé teszi, és világszerte sok kutatócsoport el is kezdte megkísérelni az anyag szintézisét és az eredmények reprodukálását. Arról, hogy a (LK-99 kódjelű) réz hozzáadásával módosított ólom-apatit potenciálisan szobahőmérsékletű szupravezető lehet, a magyar fizikus a Google által az okostelefonján feldobott tudományos cikkek révén értesült még napokkal ezelőtt, ami után elkezdte közelről követni az eseményeket.
A dél-koreaiak által először július 22-én közzétett preprint a kutató szerint szinte említésre sem volt érdemes, míg a második, július 29-i változatban is voltak jelentős hibák, amik aláásták a bizalmát a felfedezésben. Ilyen volt az, hogy olyan skálán ábrázolták az anyag ellenállását, amin ha egy sima rézdrót ellenállását ábrázolnánk, még az is szupravezetőnek látszana. Kiderült közben, hogy a preprintek mögött egy koreai cég szakemberei állnak, akiknek már egy ideje szabadalmuk van rá, így mint mondta, nem egészen érthető, hogy miért nem sikerült azokat jobban megírni.
Másfél héttel a dél-koreai preprintek megjelenése után az Egyesült Államok nemzeti laboratóriumaiban dolgozó szakemberek két, az LK-99 tulajdonságait vizsgáló sávszerkezet-számítást is közzétettek. Az első Sinéad Griffin, a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium (LBNL) kutatójához fűződik, amit Újfalussy nagyon érdekesnek nevezett. „Ami kijön, egyrészt nagyon elgondolkodtató, másrészt pedig olyan sávszerkezet, amire azt mondanánk, hogy ha van ilyen magas hőmérsékletű szupravezető, annak valami ilyesmi sávszerkezetnek kellene lennie” – mondta a kutató. Hasonló számítást Mark van Schilfgaarde, az amerikai Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium (NREL) munkatársa és kollégái is elvégeztek, ami kisebb-nagyobb részletektől függetlenül hasonló képet mutat. Eközben a Argonne Nemzeti Laboratóriumban kutatók kísérletileg is megpróbálják megismételni az eredményeket.
A sávszerkezet-számításból, ami Újfalussy szakterülete, nem lehet megmondani, hogy egy anyag szupravezető lesz-e, vagy sem, vagy ha szupravezető lesz, mekkora a szupravezetési átalakulási hőmérséklete. Viszont bizonyos sávszerkezeteknél biztosan nem lesz szupravezetés, így ha ilyet találtak volna, akkor gyorsan ki tudták volna zárni a dél-koreai eredményt. A sávszerkezetnek a kutató szerint van egy érdekes tulajdonsága: csak egyfajta spinállapotú állapotokat mutat a Fermi-energia környékén, amit kicsit az óceánok tengerszintjéhez hasonlóan kell elképzelni. „Úgy viszont nehéz Cooper-párokat létrehozni, ami egy föl, meg egy le elektronból áll, hogyha csak föl elektron van a Fermi energia körül. Az ilyen eseteket triplett elektronpároknak nevezik”, amelyekről Újfalussyék már publikáltak korábban, ezért úgy véli, hozzá tudnak tenni valamit a kutatáshoz.
Ha a felfedezés megalapozottnak bizonyulna, annak a kutató szerint nagy hatása lenne az emberi életre, és mindenféle tekintetben forradalminak számítana, például az energiatermelés, energiatovábbítás vagy az energiafelhasználás terén. „Egy ember fel se tudja fogni, hogy mi mindenre lesz ez hatással [ha a felfedezés megerősítést nyer]” – mondta. Az arXiv-ra szinte naponta kerülnek fel az anyaggal foglalkozó cikkek, ezért Újfalussy szerint az év végére már sokkal tisztábban fogjuk látni, hogy az LK-99 a szupravezetés szempontjából vagy esetleg más tulajdonságai miatt lesz érdekes. Ha kiderül, hogy az anyag valóban szobahőmérsékletű szupravezető, a működésének megmagyarázása hosszabb időt fog igénybe venni, mint amennyi a jelenség igazolásához szükséges. A dél-koreai csoport által javasolt magyarázatot ugyanakkor meglehetősen meredek és elnagyolt spekulációnak tartja, amit nem is nagyon tudott hova tenni.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten: