- En el contexto de más de 110 años de búsqueda de superconductores a temperatura ambiente, este preprint afirma que el apatito de plomo dopado con Cu LK-99® muestra superconductividad a temperatura y presión ambiente
- La composición del material es Pb10-xCux(PO4)6O(0.9<x<1.1), y se sintetiza mediante un método de estado sólido: primero se preparan Lanarkite y Cu3P, y luego se calientan en un tubo de cuarzo al vacío a 925°C durante 5 a 20 horas
- El análisis de XRD considera que Cu sustituye a Pb, reduce las constantes de red y produce una contracción de volumen del 0.48%, lo que se vincula con una transición aislante-metal
- En las mediciones de susceptibilidad magnética y los experimentos de levitación, las muestras 2, 3 y 4 mostraron diamagnetismo y levitación incompleta, lo que los autores interpretan como evidencia de la existencia de una fase superconductora
- Las mediciones de resistencia en la muestra 2 mostraron un salto de resistencia cerca de Tc=104.8°C(377.95K) y una región de resistencia casi nula por debajo de Tc, lo que los autores consideran evidencia de un superconductor de tipo s-wave
Afirmaciones sobre LK-99® y composición del material
- LK-99® es un material con una estructura cristalina de modified-lead apatite, y su composición es Pb10-xCux(PO4)6O, con un rango de x de 0.9<x<1.1
- Los autores afirman que este material presenta características metálicas óhmicas basadas en Pb(6s1) por encima de Tc, y que por debajo de Tc muestra levitación por el efecto Meissner a temperatura y presión ambiente
- Se presenta que la Tc de las muestras de LK-99® está por encima de 126.85°C(400K)
- La posibilidad de una Tc a temperatura ambiente se relaciona con dos cambios estructurales
- Al sustituir Pb por Cu, ocurre una transición aislante-metal (IMT) y se produce una contracción de volumen
- La estructura de cadena unidimensional Cu2+(3d9)−O1/2−Cu2+(3d9) en la dirección del eje c se deforma, y se refuerza la interacción de repulsión Coulomb on-site
- El mecanismo de Tc a temperatura ambiente se discute con la teoría 1-D BR-BCS
Contexto de la búsqueda de superconductores a temperatura ambiente
- Desde el descubrimiento de la superconductividad por Onnes en 1911, los superconductores a temperatura ambiente con resistencia eléctrica cero han sido un objetivo central de búsqueda durante más de 110 años
- Como casos comparativos, se mencionan los superconductores cupratos por encima de 40K en 1986, el hidruro H2S con Tc≈203K a 155GPa en 2015, y el hidruro de lutecio dopado con nitrógeno con Tc de 294K a 10kbar en 2023
- La teoría BCS se introdujo en 1957, y se explica que la teoría BR-BCS que trata Tc por encima de la temperatura ambiente fue descubierta en 2021
- Los autores consideran que la clave para descubrir superconductores a temperatura ambiente es observar la aparición de una fase metálica mediante una transición aislante-metal a temperaturas superiores a la ambiente
- El alcance del preprint incluye el método de síntesis del superconductor de apatito de plomo dopado con Cu, experimentos de levitación, características de resistencia cero, el mecanismo de IMT que ocurre sin transición estructural de fase, el diagrama de fases y el mecanismo de superconductividad a temperatura ambiente basado en BR-BCS
Procedimiento de síntesis basado en método de estado sólido
- La preparación de las muestras se realiza mediante un método de estado sólido usando como materias primas PbO, PbSO4, Cu, P
- La síntesis consta de tres etapas
- Etapa 1: se mezclan en partes iguales polvos de PbO y PbSO4, se colocan en un crisol cerámico y se calientan en aire a 725°C durante 24 horas para obtener Lanarkite Pb2(SO4)O
- Etapa 2: se mezclan polvos de Cu y P según la proporción de composición, luego se sellan en un tubo de cuarzo al vacío de 10^-3 torr y se calientan a 550°C durante 48 horas para producir cristales de Cu3P
- Etapa 3: los cristales de Lanarkite y Cu3P se muelen hasta volverlos polvo, luego se sellan en un tubo de cuarzo al vacío de 10^-3 torr y se calientan a 925°C durante 5 a 20 horas
- Como reacción final se forma Pb10-xCux(PO4)6O, y se explica que el azufre presente en PbSO4 se evapora durante la reacción
Estructura cristalina y contracción de volumen
- El polvo preparado se analizó en cristalinidad y estructura mediante mediciones de X-ray diffraction(XRD) y ajuste de datos
- La muestra 1 se interpreta como un material policristalino porque muestra múltiples picos de XRD
- El patrón de XRD coincide en general con modified-lead apatite, pero algunos picos se desplazan hacia ángulos mayores y también aparecen picos nuevos
- Los autores interpretan este desplazamiento de picos como evidencia de un cambio en la estructura de red y de una disminución de las constantes de red
- La muestra 1 tiene una estructura hexagonal P63/m, 176, y sus constantes de red son a=9.843Å, c=7.428Å
- Las constantes de red del lead apatite usado como referencia son a=9.865Å, c=7.431Å
- Se plantea que al sustituir Pb(M1) por Cu(M2), el volumen de la muestra 1 se contrajo 0.48%
- Se explica que Pb10(PO4)6O es un aislante, pero que el LA dopado con Cu, Pb10-xCux(PO4)6O, es un superconductor a temperatura ambiente y un metal por encima de Tc
Efecto Meissner, levitación y mediciones de resistencia
- En las muestras 2 y 3 se midió la susceptibilidad diamagnética ZFC/FC desde -73.15°C(200K) hasta 126.85°C(400K)
- La muestra 2 es una muestra obtenida en un recipiente de cuarzo bajo condiciones de bajo dopaje de lead apatite
- La muestra 3 fue preparada con materias primas de mayor pureza
- A 20°C, la proporción de susceptibilidad comparada con el valor diamagnético del graphite es aproximadamente 5450 y 22.7, respectivamente
- Los autores consideran que estas proporciones tan grandes son difíciles de explicar sin la presencia de una fase superconductora
- La muestra 4 es una muestra tratada térmicamente a partir de la muestra 2, y se presenta que mostró levitación incompleta a temperatura y presión ambiente
- La resistividad de la muestra 2 se midió con el método de 4-probe y una condición de 30mA, y aparece un salto de resistencia cerca de Tc=104.8°C(377.95K)
- Por encima de Tc aparece una característica lineal metálica originada en la IMT
- Por debajo de Tc aparece, aproximadamente por debajo de 60°C, una región que puede considerarse de resistencia 0, incluyendo una señal de tipo ruido
- En la región aproximada de 60°C a 90°C, la resistencia aumenta monótonamente con la temperatura, lo que se interpreta como indicio del colapso del gap de energía superconductora
- En la región aproximada de 90°C a Tc, el cambio de resistencia no es claro, pero se explica que dσ/dT fluctúa en la etapa final del colapso del gap de energía
- La región de resistencia 0 equivale a aproximadamente 88% de Tc en escala Kelvin (333K/378K), y se la compara como unas 3 veces mayor que el aproximadamente 30% de superconductores convencionales de baja temperatura
- Los autores interpretan la existencia de la región de resistencia 0 como evidencia de un superconductor s-wave, a diferencia de la simetría de emparejamiento dx2-y2 con nodos
- Se presenta que la curva I-V de la muestra 1 muestra una característica lineal metálica por encima de Tc, y que al aumentar la temperatura disminuye la corriente Tc
- En la curva I-V analizada a 25°C con eje y logarítmico, se observan regiones en las que, al superar cierto umbral de corriente, el gap de energía superconductora se rompe por Joule heating y la resistencia aumenta
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Según la actualización más reciente, se habría confirmado diamagnetismo en una muestra de replicación de LK-99 muy pequeña. El autor publicó que, bajo la supervisión del profesor Haixin Chang de la Huazhong University of Science and Technology, el investigador posdoctoral Hao Wu y el estudiante de doctorado Li Yang verificaron por primera vez un cristal de LK-99 que levita magnéticamente a temperatura ambiente con un ángulo de levitación mayor que la muestra de Sukbae Lee, y que se espera que concrete el potencial de la levitación magnética superconductora sin contacto a temperatura ambiente.
En una actualización adicional, dice que el segundo video muestra que esto no es paramagnetismo.
https://www.bilibili.com/video/BV13k4y1G7i1/
Es una traducción de Targum. Por los comentarios y el video, parece que afirman que levitó una partícula de tamaño micrométrico, aunque no sé bien si es falso.
La idea es que en la estructura cristalina hay dos sitios de Pb donde el Cu puede sustituirse: el sitio de menor energía no hace nada, y el de mayor energía es el que genera la superconductividad.
https://arxiv.org/pdf/2307.16892.pdf
Por último, los cálculos presentados aquí sugieren que, cuando el Cu sustituye al Pb(1) correcto, aparecen un manifold d muy plano y aislado, y la posibilidad de magnetismo, carga y fonones fluctuantes, que son rasgos clave de la superconductividad de alta temperatura. En cambio, al sustituir el otro sitio Pb(2), aunque es el sitio de menor energía, no se observan esas propiedades, lo que sugiere que para obtener una muestra superconductora a granel existe un desafío de síntesis: lograr que el Cu entre en el sitio correcto.
Si sintetizas mal el material, ¿deberíamos esperar una superconductividad “parcial”, por ejemplo una resistencia muy baja pero no nula, o solo se vuelve superconductor si todo encaja exactamente y, si no, tiene una resistencia normal? También me pregunto si, en física, que un valor sea cero parece casi imposible en la práctica: ¿la superconductividad es realmente 0.0000… exacto, o simplemente está tan cerca de 0 que se comporta como resistencia cero aunque en realidad tenga una resistencia diminuta?
Primero, fabricar y medir un superconductor es algo que puede hacer incluso un estudiante de pregrado, pero explicarlo requiere a alguien del nivel de un Premio Nobel. Segundo, en teoría, si entiendes el mecanismo puedes mejorarlo, pero en ciencia de materiales casi siempre se llega a buenos resultados solo con prueba y error. En conclusión, probablemente el efecto sea real, pero la explicación no.
Ver que usan un equipo de resonancia paramagnética electrónica como si fuera un detector de metales de playa es tan gracioso que casi no puede no ser real.
Hay que recordar que los científicos también son humanos y pueden subirse a una afirmación de moda para hacerse un nombre. No soy experto, pero estos videos no me parecen nada convincentes, y el paper que simuló LK-99 al final no deja de ser una simulación: manipulando parámetros se puede inducir casi cualquier resultado.
Si pudiera mejorar la eficiencia, el consumo y la confiabilidad de las computadoras cuánticas actuales por un orden de magnitud de una sola cifra, eso por sí solo podría impulsar descubrimientos tecnológicos en otros campos y crear un ciclo de avances autorreforzado. No se trata solo de trenes o chips; la clave es el potencial de resolución de problemas que este material podría ofrecer al mejorar tecnologías difíciles de fabricar y mantener. Por ejemplo, ¿y si descubriéramos que para la comunicación telepática mediante una placa prefrontal se necesita un superconductor a temperatura ambiente en forma cerámica? Es ciencia ficción, pero si además consideramos máquinas de resolución de problemas que superan por mucho la capacidad del cerebro humano para reconocer problemas, realmente no sabemos qué podría surgir.
El grupo de LK-99 publicó la v2 el sábado de la semana siguiente, y es posible que la siga actualizando. Si se toma en cuenta el contexto de una publicación anticipada, muchas de las rarezas de los dos artículos se explican. El primer artículo es “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor”; tiene como autores a Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim y Young-Wan Kwon, y lleva la marca de tiempo del sábado 22 de julio de 2023 a las 07:51:19 UTC [1]. El segundo artículo es “Superconductor Pb10−xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism”; tiene como autores a Sukbae Lee, Jihoon Kim, Hyun-Tak Kim, Sungyeon Im, SooMin An y Keun Ho Auh, se subió 2 horas y 20 minutos después del primero, el sábado 22 de julio de 2023 a las 10:11:28 UTC, y se actualizó el sábado 29 de julio a la 01:53:47 UTC
En ambos artículos, el primer autor es Sukbae Lee, el segundo autor es Jihoon Kim, y su afiliación figura como “Quantum Energy Research center, Inc.”, en Seúl. En el artículo que se subió primero, Young-Wan Kwon aparece como tercer autor, pero no figura en el segundo artículo, donde se agregaron cuatro autores de varias afiliaciones. El segundo artículo parece estar escrito en LaTeX, y el primero en Word. El título y el resumen del primer artículo afirman explícitamente que LK-99 es un superconductor a temperatura ambiente, pero el título y el resumen del segundo artículo no lo hacen de forma explícita. Aun así, por la terminología se percibe un matiz de que consideran a LK-99 un superconductor
La acusación de [3] es que Young-Wan Kwon publicó el primer artículo sin el consentimiento del resto del equipo de LK-99, se puso a sí mismo como tercer autor y dejó fuera a los otros cuatro autores. La explicación es que, después de eso, el resto del equipo de LK-99 incorporó de prisa al segundo artículo los datos que tenía y lo publicó 2 horas más tarde [4]. Esto explicaría por qué el mismo grupo subió dos artículos el mismo día, por qué las listas de autores son distintas y por qué solo se actualizó el segundo artículo, y no el primero. No soy experto en este campo y solo leí cada artículo una vez, pero creo que muchos de los errores y partes desprolijas de los artículos también podrían explicarse bastante bien en este contexto
Por eso me volví cautelosamente optimista de que este descubrimiento podría ser real [5]. Al lunes por la noche, los artículos de arXiv encajan con la imagen de un grupo de investigación que logró fabricar e identificar un superconductor a temperatura ambiente mediante un proceso de fabricación delicado, pero que se vio obligado a publicarlo antes de tiempo. La evidencia está muy lejos de ser suficiente para concluir que LK-99 es un superconductor a temperatura ambiente. Pero una sola falla de replicación tampoco demuestra que LK-99 no sea un superconductor. Si el proceso de fabricación es delicado, sería natural que hubiera decenas de reproducciones fallidas y unas pocas exitosas
Actualización al lunes por la noche, hora de EE. UU.: salieron dos artículos más sobre la afirmación de LK-99, para un total de cuatro. El tercer artículo es un intento fallido de reproducir experimentalmente los resultados del grupo de LK-99; se titula “Semiconducting transport in Pb10-xCux(PO4)6O sintered from Pb2SO5 and Cu3P”, sus 9 autores pertenecen todos al Departamento de Ciencia de Materiales de Beihang University, en Pekín, y la marca de tiempo es el lunes 31 de julio a las 16:13:05 UTC [6]. El cuarto artículo es una simulación de LK-99 y observa similitudes entre LK-99 y otros materiales superconductores de alta temperatura. Se titula “Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite”, su único autor pertenece a Ciencia de Materiales del Lawrence Berkeley National Lab, en California, y se publicó el lunes 31 de julio de 2023 a las 17:58:17 UTC [7]
[1] https://arxiv.org/abs/2307.12008
[2] https://arxiv.org/abs/2307.12037
[3] Este comentario se escribió originalmente como respuesta al siguiente post: https://news.ycombinator.com/item?id=36952499
[4] Dicho eso, públicamente tampoco parece saberse si todos los autores aceptaron la publicación del segundo artículo. Puede haber sido algo que sacó de prisa una parte del grupo, y también parece igualmente posible que un autor lo haya subido por su cuenta
[5] “Cautelosamente optimista” en realidad significa “estaba tan emocionado y ansioso que estuve comparando marcas de tiempo de arXiv hasta las 3 de la mañana”
[6] enlace de arXiv: https://arxiv.org/abs/2307.16802
enlace de HN": https://news.ycombinator.com/item?id=36951140
[7] arXiv: https://arxiv.org/abs/2307.16892
HN: https://news.ycombinator.com/item?id=36951815
No sé qué quería realmente Kwon con todo este lío, pero parece claro que ya había una gran brecha entre Kwon y los demás autores, y que esta “filtración” sacó a la superficie esa brecha junto con LK-99
[1] Ya fue borrado, pero hay capturas de pantalla en otros lugares, y el comentario explicativo en sí sigue aquí: https://gall.dcinside.com/mgallery/board/view/?id=thesingularity&no=178098
Si esto termina en un Nobel, ojalá también se tome en cuenta el espíritu deportivo
Las redes eléctricas sin pérdidas en todo el mundo, los trenes de alta velocidad, las centrales de fusión nuclear y los autos voladores suenan geniales. Claro, bajo la premisa de que el material sea real y algún día pueda producirse en masa. Hasta entonces, lo voy a mirar con escepticismo
No sabía que “Renegade Researcher” pudiera ser una expresión realmente viable
Al final no es más que un preprint, así que me pregunto si importa tanto
No tiene revisión por pares, y en afirmaciones de descubrimientos, ¿no es mucho más importante la evidencia de laboratorio que un preprint?
Me intrigan las implicaciones generales de un superconductor a temperatura ambiente. Solo sé más o menos que normalmente se necesitan temperaturas ultrabajas, pero quisiera saber qué significado práctico tendría en la realidad
Para eso hay que hacer pasar una corriente enorme por un circuito circular grande, y si se hace sin superconductores, se genera tanto calor que todo se derretiría. Hay intentos de hacerlo con superconductores existentes, pero esos requieren temperaturas criogénicas o presiones ultraltas. Este material quizá podría ser un superconductor barato que existe a temperatura y presión normales. Probablemente tenga defectos para usarse directamente en un reactor de fusión, pero podría enseñarnos cómo fabricar mejores superconductores
La siguiente frase de la patente es bastante sugerente si conoces la fabricación de semiconductores: “In addition, various energy sources used for deposition are not limited to chemical vapor deposition (CVD) using heat, but atomic layer deposition (ALD), sputtering, and thermal evaporation, e-beam evaporation, molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), etc. are also included without limitation as long as the raw material can be deposited.”
Los métodos enumerados son formas que se usan en la fabricación de semiconductores para introducir materiales en una oblea. También es importante que el material promocional de la empresa describa la resistencia como “1/10^4 menor que la del cobre”. Esto se debe a que el cobre se usa actualmente como conductor en los chips. Antes era aluminio, y eso de por sí es una historia interesante: https://en.wikipedia.org/wiki/Copper_interconnects
https://patents.google.com/patent/WO2023027537/en
En teoría, se volverían posibles computadoras absurdas por las que pasen 1000 GW sin calentarse, autos voladores y cables de energía sin pérdidas durante la transmisión. Por eso también se siente absurdo que sea posible en condiciones normales. Puedo entender que enfríes un material casi al máximo para que no obstaculice la corriente, o que lo comprimas hasta que no pueda moverse y entre en un estado extraño, pero si simplemente está en una habitación normal, tendría que ser un material completamente demencial
No sé mucho de física, pero me pregunto si hay alguna razón para querer específicamente superconductividad. ¿No bastaría con un conductor barato y muy bueno? Y aunque LK-99 sea un superconductor, eso no significa necesariamente que sea útil para computación, ¿no?
Seguro que hay materiales con mejor conductividad que el silicio, pero quizá no se puedan usar en chips por sus propiedades mecánicas u otras características físicas
El problema aquí es que el cableado común entre transistores, normalmente cables de cobre, acumula calor cada vez que circula corriente. Esto limita qué tan densamente se puede colocar el cableado dentro de un chip. Con superconductores serían posibles procesadores mucho más pequeños y rápidos, además de muchos diseños que no requerirían refrigeración. Imagina un chip monstruoso en consumo como una RTX 4090 ejecutando localmente el LLM más reciente en un teléfono. Eso es lo que está en juego, y por eso todos quieren ser autores del artículo original
Las MRI podrían volverse mucho más baratas, pequeñas y comunes con superconductores a temperatura ambiente. Los trenes de levitación magnética pueden “hacer flotar” objetos mediante el efecto Meissner, por el cual los superconductores expulsan campos magnéticos, con poca fricción y una eficiencia energética muy alta. La computación cuántica, en la mayoría de sus diseños, necesita superconductores enfriados, y para computadoras cuánticas portátiles o chips cuánticos conectados junto a computadoras convencionales, los superconductores a temperatura ambiente son prácticamente necesarios. Si piensas en la escala con la que las baterías modernas hicieron posibles desde autos eléctricos hasta smartphones, la escala de las innovaciones tecnológicas que se construyan sobre esto podría ser similar
Lo importante es la inversión y la atención que vendrían después del descubrimiento verificado de un material así. Un enorme boom de investigación sin duda produciría mejores materiales candidatos. El objetivo final ideal sería algo que se use como las cintas superconductoras existentes, pero que funcione sin refrigeración y, si es posible, que no sea tóxico
Si vemos que esta empresa desarrolló en particular películas delgadas mediante métodos de deposición, parece razonable pensar que la computación era la aplicación prevista. Para más detalles, basta con ver otros comentarios
No sé si es normal que la calidad de las figuras y gráficos sea tan mala. Si usan equipo de medición, debería ser posible al menos exportar a CSV y crear gráficos generados externamente como corresponde, en lugar de imágenes que parecen capturas de pantalla pixeladas
No sé nada de superconductores ni ciencia de materiales; ¿alguien podría resumir las diferencias entre el artículo original y este? Sin respuestas de ChatGPT
En mi opinión, lifthrasiir parece tener razón aquí: https://news.ycombinator.com/item?id=36953052