¿Un superconductor a temperatura ambiente? Nuevos avances

• LK-99 llamó la atención por un preprint que afirmaba que mostraba superconductividad a temperatura y presión ambiente, y si se reproduce podría impactar casi todos los campos que usan electromagnetismo
• El procedimiento de síntesis es relativamente simple, por lo que varios laboratorios pueden verificarlo rápido, pero como la muestra original es policristalina y no homogénea, hay margen para que los resultados de reproducción varíen
• El video de levitación magnética de la Huazhong University of Science and Technology de China aumentó el interés, pero es difícil confirmar solo con el video una reproducción de superconductividad a temperatura ambiente debida al efecto Meissner
• Los nuevos cálculos DFT del Shenyang National Laboratory y Lawrence Berkeley muestran que la estructura reportada de LK-99 podría ser compatible con la posibilidad de superconductividad y que quizá no requiera física completamente nueva
• Quedan pendientes la posición de sustitución del cobre, la fragilidad de la estructura electrónica y la posible direccionalidad cristalina, por lo que se necesitan muestras bulk limpias y datos de verificación más allá de videos en redes sociales

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Las afirmaciones sobre LK-99 y la dificultad de reproducirlas

• LK-99 apareció con un preprint que afirmaba que mostraba superconductividad a temperaturas muy por encima de la ambiente y a presión ambiente
• Un material así es un objetivo buscado desde hace mucho en ciencia de materiales y física de la materia condensada, y hasta ahora se lo consideraba principalmente algo de ciencia ficción
• Si realmente existe, podría mejorar mucho las aplicaciones basadas en electromagnetismo, dependiendo de la densidad de corriente aceptable
• Las afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias, y casos como este suelen caerse por problemas de reproducibilidad
• Esta síntesis no es muy compleja y tampoco requiere materiales ni equipos especiales, por lo que varios laboratorios pueden intentar reproducirla de inmediato
• Sin embargo, los propios autores originales indicaron que la muestra es policristalina y no homogénea, y no hay garantía de que el método de fabricación reportado sea el óptimo
• Entre las variables de reproducción están la pureza de los materiales iniciales, la presencia de oxígeno, el tamaño de las partículas, las velocidades de calentamiento y enfriamiento, y el tamaño y la forma del recipiente

Problemas con los autores del preprint y estado de los artículos

• Los preprints relacionados aparecieron en fechas cercanas: uno con tres autores y otro con seis autores
• El preprint de tres autores podría ser retirado porque uno de los autores lo habría enviado sin consultar con algunos de los otros autores
• El artículo de seis autores está en preparación para enviarse a una revista con revisión por pares, y el propio preprint ya fue modificado
• La situación interna real quizá se aclare solo con más tiempo
• Debido al contexto de la posible detección de un superconductor a temperatura ambiente, crecieron al mismo tiempo las expectativas y la confusión

Afirmaciones de reproducción y video de levitación magnética al 1 de agosto

• Hasta la mañana del 1 de agosto, existe un reporte aún no verificado de reproducción por parte de la Huazhong University of Science and Technology de China
• El video publicado muestra un objeto que podría ser una muestra de LK-99 flotando sobre un imán y orientándose en distintas direcciones respecto del imán
• Este cambio de orientación es una pista importante
  • Un material simplemente paramagnético también puede levitar en un campo magnético suficientemente fuerte
  • Materiales diamagnéticos como gotas de agua o ranas también pueden levitar
  • En esos casos, pueden volver a una orientación específica como la aguja de una brújula
• Un superconductor es un diamagneto perfecto, distinto porque expulsa el campo magnético
• El efecto Meissner es el fenómeno por el cual un material expulsa el campo magnético que atravesaba su interior cuando pasa al estado superconductor a una temperatura adecuada
• Para ese video hay que depender de la explicación de quienes lo produjeron y publicaron, y siguen existiendo otras explicaciones posibles que no implican superconductividad a temperatura ambiente
• Todavía es pronto para considerar que un solo video sea una reproducción real

La posibilidad que mostraron los cálculos DFT

• Dos nuevos preprints toman como punto de partida los datos estructurales de rayos X reportados para LK-99 y predicen su comportamiento mediante cálculos de teoría del funcional de la densidad (DFT)
  • Uno es un preprint del equipo del Shenyang National Laboratory for Materials Science
  • El otro es un preprint de Sinéad Griffin, de Lawrence Berkeley
• Ambos cálculos llegaron a conclusiones muy parecidas y sugieren que un material como LK-99 podría funcionar
• Es un avance importante porque quizá no haga falta suponer física completamente nueva para explicar LK-99
• El cálculo de Griffin encontró un conjunto aislado de flat bands que cruzan el nivel de Fermi, con un ancho de banda máximo de alrededor de 130 meV y una separación de 160 meV respecto del resto de las bandas de valencia
• Un ancho de banda estrecho apunta a bandas fuertemente correlacionadas, y la banda Cu-d es particularmente plana, con poca expansión de banda causada por los iones de oxígeno circundantes
• Si la hipótesis existente de que la planitud de banda induce superconductividad es correcta, este resultado sugiere una fase superconductora más robusta y de mayor temperatura que los sistemas superconductores de alta temperatura conocidos

Estructura electrónica, posición de sustitución y direccionalidad cristalina

• En un sólido, el nivel de Fermi es la energía teórica en la que la probabilidad de que un electrón ocupe un nivel de energía específico es del 50%, y se aproxima a la posición natural de los electrones de conducción móviles
• Los electrones en sólidos se modelan como ocupando varias bandas de energía, con band gaps entre ellas
• En los aislantes, el nivel de Fermi está dentro de un band gap amplio, lo que dificulta generar corriente; en los metales, una o más bandas cruzan el nivel de Fermi
• El artículo de Griffin considera que los resultados del cálculo se cumplen cuando el cobre sustituye la posición Pb(1) en la estructura de apatita de plomo, como en el preprint original
• Pero parece energéticamente más favorable que el cobre entre en la posición Pb(2), lo que podría dificultar obtener de forma estable la sustitución de cobre en Pb(1)
• Este problema de la posición de sustitución puede llevar a variabilidad en la reproducción de LK-99 o a dificultades para obtener muestras bulk limpias
• El equipo de Shenyang también considera que la apatita de plomo original es un muy buen aislante, pero que el cambio estructural al introducir átomos de cobre coincide con los datos experimentales del preprint coreano y produce una gran transición hacia un estado metálico
• El cálculo de Shenyang encontró una flat band medio llena y una flat band completamente llena alrededor del nivel de Fermi, y las considera importantes para investigar la superconductividad reportada
• Este equipo predice que sustituir átomos de oro en la posición Pb(1) podría producir un material con propiedades similares
• El preprint de Shenyang considera que las unidades PO4 alrededor de las columnas cilíndricas formadas por átomos Pb2 muestran propiedades aislantes, y que mediante átomos O2 con ocupación de 1/4 se forman canales de conducción casi unidimensionales a lo largo del eje c
• En las dos flat bands se observaron cuatro VHS, lo que indica que las propiedades electrónicas podrían ser frágiles ante distorsiones estructurales a baja temperatura
• Si se pudiera fabricar LK-99 monocristalino, existe la posibilidad de que la superconductividad aparezca solo en un eje cristalino
  • Si se conectan cables a dos caras específicas opuestas, podría observarse superconductividad, pero quizá no en otras caras
• También en los materiales superconductores existentes, los límites de grano influyen mucho en la eficiencia, y las muestras policristalinas de LK-99 podrían ser desfavorables para mostrar un efecto fuerte

Evaluación actual

• Los cálculos de Shenyang y Lawrence Berkeley son un avance positivo y hacen que LK-99 salga en cierta medida del terreno de lo “inexplicable”
• Si se requiere física nueva, el estándar de prueba se vuelve mucho más alto, pero estos cálculos muestran posibilidades dentro del marco teórico existente
• Se necesitan más datos de reproducción, y deben aparecer pruebas que vayan más allá de videos en redes sociales
• Hasta ahora, es el intento más creíble que el mundo ha visto de un candidato a superconductividad a temperatura y presión ambiente, y los próximos días y semanas serán muy importantes

[GN⁺]

Opiniones de Hacker News

• Es difícil imaginar el impacto de este punto de inflexión en el que estamos ahora. Anoche también era difícil de explicar, pero quizá estemos viendo el inicio de una era de transición tecnológica similar a cuando se inventó la unión p-n.
  Desde la perspectiva de los años 40, habría sido difícil imaginar la tecnología actual. Podrían volverse posibles la transmisión de energía sin pérdidas, baterías que no necesiten tiempo de carga, e incluso CPU mucho más rápidas que no te quemen las piernas. ¿Ahora sí nos tocan los autos voladores?

  • Nada de lo que enumeraste está limitado por conductores internos. La eficiencia de las líneas de transmisión de CA de alto voltaje está limitada por el acoplamiento capacitivo con tierra; la carga de baterías, por la química de las celdas; y el calor de los CPU, por la resistencia de los semiconductores.
    Los metales, especialmente el cobre, ya son conductores increíblemente buenos.
  • Comparto el sentimiento de “autos voladores”, pero no quiero autos voladores en sentido literal. Mucho menos si no son autos voladores autónomos; la gente ya causa suficientes problemas incluso en tierra, que fue hecha para conducir.
  • ¿De verdad “baterías que no necesiten tiempo de carga” sería posible con esto? A primera vista no veo bien cuál sería la conexión.
  • Si hablamos de autos voladores, no hay que olvidarse de la patineta voladora de Back to the Future. Me encantaba en la película y todavía sueño con tener una.
    Ahora tengo casi 50 años, así que si me subiera probablemente me caería y me mataría, pero aun así creo que lo intentaría una vez.
  • ¿Seguro que leímos el mismo paper? Esto es cerámica.

• Al ver la predicción de que “si se sustituyen átomos de oro en la posición Pb(1), podría obtenerse un material con propiedades muy similares”, y considerando que el material base es apatita de plomo, se me ocurrió una idea disparatada.
  Los alquimistas medievales que intentaban convertir plomo en oro iban en la dirección opuesta; quizá el avance sea dopar el plomo con oro :-)

  • Después de miles de años matando gente por oro, por fin podemos usar ese oro para algo útil: crear superconductores que alimenten armas de energía con las que matarnos entre nosotros. El ciclo de la vida.
  • Me hace imaginar cómo habría cambiado la historia si los alquimistas de hace siglos hubieran descubierto por accidente una muestra de apatita de plomo que realmente levitara.
  • Si al final el oro resulta ser la única solución práctica, este nuevo material será excelente, pero al mismo tiempo enormemente caro.
  • Me gustaría que alguien comprobara qué sale al apilar capas de grafeno y láminas de oro puro, además de un hermoso patrón tipo “damasco”.

• Salió un nuevo video de reproducción en China.
  https://twitter.com/lereguy/status/1686363900651151360

  • https://nitter.net/lereguy/status/1686363900651151360
  • Ya vi tres solo de China, y hoy los cálculos de una institución de investigación confiable también confirmaron la teoría.
  • ¿Alguien puede explicar cómo este video demuestra superconductividad?
  • No será carbono pirolítico, ¿verdad?
  • Un momento: en un campo magnético en movimiento, ¿no se movería así cualquier pedazo de material magnético? ¿No es una reproducción fallida?

• Es interesante, pero estoy tratando de mantener la calma. Les deseo suerte a todos los involucrados.
  No sabía que la ciencia podía ser un deporte para espectadores tan emocionante.

  • Casi se siente como volver a la época de Lavoisier. Parece una era en la que los científicos hacen experimentos elaborados frente al público y hasta provocan explosiones para respaldar o refutar teorías populares.
    Hay rivalidades mortales, demostraciones con fines promocionales, y con cada nuevo giro están en juego el orgullo de personas, instituciones y países.
  • Es realmente emocionante. No puedo evitar buscar las novedades todos los días.
  • Lo divertido es que, aun sin ningún conocimiento previo del campo, es fácil entender lo esencial.
  • Alguien ingenioso en otra red social dijo: “todos los avances tecnológicos, como la plomería y la gasolina, terminaron en envenenamiento por plomo, así que quizá esto sea real”.
  • En un video que vi hace unos días señalaban que la corriente de ruptura de la muestra era de 260 mA. Hay muchas cosas que se pueden hacer con 260 mA, pero un electroimán de muchos teslas probablemente no esté en la lista.
    Así que creo que ni MRI, ni fusión, y probablemente tampoco dispositivos electromecánicos como generadores o motores.

• Los resultados de DFT son ciertamente interesantes, pero parto de que mi formación está en la física experimental de materia condensada de este tipo de materiales, no en la teoría. Según entiendo, las bandas planas, que son el núcleo de la conclusión, podrían ser una condición necesaria para la superconductividad del tipo que plantean los autores, pero no una condición suficiente.
  En la física experimental de materia condensada a veces se tolera hacer un buen experimento y luego agregar una “base teórica” a medio cocer para tranquilizar a los revisores. Por eso no me sorprendería que la superconductividad real apareciera sin tener nada que ver con el mecanismo propuesto en el paper. Me gustaría ver una caracterización más sólida, y que los laboratorios que están haciendo estudios de reproducción miren de cerca las partes clave.

  • Sé algo de DFT, pero casi nada de superconductividad. Aun así, al leer el preprint de Sinéad Griffin, no vi nada que pareciera raro desde el punto de vista metodológico, y los métodos y el software usados son muy establecidos y bien clasificados.
    Dicho eso, ese conocimiento es de hace unos 20 años, y aunque tengo un paper como primer autor en PRB, no deberían confiar en mí más que en un investigador activo. Aun así, no soy completamente ignorante.
  • Lo que llama la atención es que, en la simulación DFT, las bandas planas solo aparecen en una estructura cristalina específica de este material, y esa estructura ni siquiera es el estado más estable.
    Esto podría explicar por qué la síntesis es difícil. Estas simulaciones no son perfectas, pero cuando los experimentos marcan la dirección y hay una correlación fuerte, puede ser una buena señal de que se obtuvo una explicación mecánica del fenómeno.
  • Lo que me cuesta entender es cómo puede surgir superconductividad sin pares de Cooper. Mi comprensión se basa en superconductores más tradicionales, y no conozco bien lo más avanzado en superconductores de alta temperatura.

• Me alegra no ser el único que vio bastante prometedora la prepublicación con cálculos DFT.
  Pero también muestra que lograr la sustitución deseada es muy difícil. En particular, es muy probable que no funcione el enfoque que algunos propusieron de “romper el compuesto y separarlo”. La heterogeneidad existe dentro del mismo cristal, y que el Cu entre en el sitio Pb {1} es bueno, pero si entra en el sitio Pb {2} es malo.
  Por eso, el método de síntesis muy indirecto que prefirieron los autores —hacer reaccionar fosfuro de cobre con lanarkita para generar mucho sulfuro de cobre como subproducto— puede haber sido necesario para producir propiedades interesantes. Ahora que tenemos una idea de qué buscar, quizá también puedan derivarse otros métodos de síntesis teniendo en mente qué tipo de sustitución de cobre hay que lograr y cómo determinar si se logró.
  Por supuesto, sigue existiendo la posibilidad de que todo esto sea un gran error, pero ahora tendría que haber varios errores interconectados al mismo tiempo. Si seguimos esta hipótesis, podría tomar bastante tiempo lograr la sustitución selectiva necesaria en muestras a granel de alta calidad, así que no espero que aparezcan montones de nuevas tecnologías en el corto plazo.

  • El consenso general entre especialistas que han trabajado con DFT es que esta prepublicación casi no cambia la evaluación sobre LK-99. Como resume bien https://twitter.com/alexkaplan0/status/1686392015217741825, el artículo de Griffin no es evidencia de superconductividad ni una señal muy fuerte.
    Las bandas planas pueden significar varias cosas, y la estructura cristalina que asumió Griffin pudo haber sido elegida porque parecía bastante probable. CMTC también considera que el artículo de Griffin no cambia demasiado el panorama y que la reproducibilidad sigue siendo baja: https://twitter.com/condensed_the/status/1686373904044949504...
  • Hasta cierto punto sí, pero si metes átomos de cobre en una superred aislante grande, sería esperable que aparecieran bandas planas. Aun así, la ocupación de las bandas d es interesante.
    No me convence con mucha fuerza, pero definitivamente no es nada.
  • No tengo la menor idea de si lo que dijo Iris (Russian Cat Girl) sobre “ingenierizar pili conductores de bacterias en un superconductor” se refiere a biotecnología a nanoescala, o a una forma de reproducir de manera estable la propia estructura superconductora.
    ¿Es simplemente una tontería? https://twitter.com/iris_IGB/status/1685322871306928128
  • Me pregunto qué tan adecuada sería la deposición química de vapor para fabricar muestras puras con la sustitución correcta de Cu. Aunque sería un método carísimo, más bien para trabajo de laboratorio.
  • ¿Existe la posibilidad de que, por las limitaciones para fabricar este cristal en piezas grandes, en la práctica nunca llegue a ser útil?

• Me gustaría ver cómo fueron los pedidos diarios de óxido de plomo(II) y polvo de fosfuro de cobre en el sitio de la cadena de suministro de Sigma Aldrich la semana pasada.

• Me sorprende que los medios tradicionales parezcan estar ignorando esto por ahora. Busqué LK-99 en Google News y no había artículos de medios importantes; el resultado de búsqueda de NYTimes era un artículo de 1974.

  • Más bien veo con buenos ojos esa cautela. La situación era demasiado incierta, y habría sido difícil explicar bien qué estaba pasando, por qué era importante y si realmente era importante.
    En particular, por esa última parte creo que hicieron bien en esperar. Ni siquiera estaba claro si esto llegaría a ser algo más que “algunos científicos quizá cometieron un gran error, o quizá no”. Ahora que varios equipos dicen que es posible o que ya ocurrió, creo que empezarán a salir artículos en medios tradicionales. No lo están ignorando: están siendo cautelosos, y los periodistas de ciencia seguramente lo están vigilando como halcones.
    Me gustan los medios con reputación porque son un filtro confiable del ruido de Internet. Los rumores iniciales los veo en sitios como este; lo filtrado, ordenado y enfocado lo veo allá.
  • Sinceramente, la evidencia actual es bastante inestable. Derek Lowe se muestra bastante optimista aquí, pero la reacción de los investigadores en superconductores ha sido en general pesimista [1], y como Derek Lowe no es de este campo, por ahora confío más en ellos.
    Los artículos originales son dos papers subidos sin que esté claro si en este campo la publicación en arXiv es ampliamente aceptada, y el periodismo científico normalmente espera a que haya un artículo revisado por pares en una revista reconocida. Algunos medios especializados ya lo cubrieron, y pondría In The Pipeline de Derek Lowe en esa categoría.
    [1] Por ejemplo: https://nitter.net/i/status/1686373516286005248 — explica por qué incluso los artículos teóricos recientes de confirmación resultan poco convincentes.
  • Creo que es mejor esperar a que haya más investigación que lanzar afirmaciones al azar que luego podrían resultar falsas.
  • De verdad no lo entiendo. Mientras tanto, hubo montones de artículos sobre descubrimientos médicos mediocres basados en modelos de ratón, pero la cobertura sobre LK-99 es literalmente cero.
    Tenga éxito o no, tiene valor noticioso. El misterio, el trasfondo humano, los intentos de reproducción de Argonne, China y científicos independientes: solo con eso ya hay un montón de temas interesantes para convertir en nota.
    Lo más raro es que el NYT sí publicó sobre la retractación del paper de Dias sobre superconductores. Ese paper ni siquiera estaba en mi radar porque no me interesa a menos que se trate de un superconductor que implique un gran salto hacia aplicaciones prácticas.
    ¿Qué demonios están haciendo?
  • La mitad de los comentarios se burla de la calidad irregular de la evidencia, y apenas pasó alrededor de una semana desde que salió el paper. Me parece razonable esperar al menos una prepublicación con una reproducción exitosa.
    No es justo decir que los medios tradicionales lo están ignorando. El posible descubrimiento literalmente acaba de ocurrir, y la baja notoriedad combinada con la cautela frente a la evidencia hace que todavía no lo hayan cubierto.

• Intento fallido de reproducción: transporte semiconductor de Pb10-xCux(PO4)6O sinterizado con Pb2SO5 y Cu3P
  https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2307/2307.16802.pdf

  • Creo que este tipo de fallos de reproducción aparecerían incluso si LK-99 fuera real. En la ciencia experimental de laboratorio nueva, acertar con las condiciones exactas no es algo trivial, y en los artículos iniciales muchas veces las variables decisivas ni siquiera se midieron.
    La gente usa este hecho para atacar áreas como la investigación del cáncer, pero lamentablemente es un problema fundamental de la ciencia. Un artículo científico no es un cristal de verdad destilada, sino más bien un commit de trabajo en curso. Si esperamos para publicar hasta conocer todos los detalles, los descubrimientos científicos se ralentizarían a paso de tortuga y nos perderíamos muchísimos hallazgos.
  • Hay razones para pensar que el material sintetizado por el grupo chino es bastante distinto de lo que el equipo coreano caracterizó como LK-99: https://twitter.com/robert_palgrave/status/16863940964101488...
    Probaron un material diferente.

• Ah, el ciclo de citas de verdad está ocurriendo

  • https://xkcd.com/978/