Broušený přírodní modrý apatit z Brazílie. Není sice supravodivý, ale je krásný. Kredit: Didier Descouens, Wikimedia Commons, CC BY 3.0

Na server arXiv mnozí vědci umísťují a k případné široké odborné diskuzi předkládají preprintové, zatím nerecenzované verze článků. Velká část z nich si po recenzním kolečku najde cestu do některého z karentovaných časopisů. Takový volný přístup však umožňuje, že občas někdo na arXiv umístí něco jako bombu a nejde zpočátku jednoznačně rozhodnout, jestli jde o vskutku explozivní nálož, nebo jen o imitaci, která sice vzbudí pozornost a rozproudí vášnivější debatu, ale k novým poznatkům přispěje jen tím, že odhalí slepou uličku, kudy cesta dál nevede.

Laboratorně syntetizovaný olovnatý apatit LK-99 Kredit: Sukbae Lee et al: The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor, arXiv 2023

Před několika dny takovou potenciální vědeckou bombu na arXivu vložili (zde) tři jihokorejští vědci z Výzkumného centra pro kvantovou energii a z instituce, jejíž název lze popisně přeložit jako Postgraduální škola zaměřená na sbližování vědy a technologií (Graduate School of Converging Science and Technology). Obě vědecká pracoviště sídlí v Soulu. Třílístek svou prací udělal první, ale celkem dlouhý krok k Nobelově ceně, samozřejmě jen když se ukáže, že se nemýlí, když tvrdí, že se mu v laboratoři podařilo syntetizovat materiál, jenž je supravodičem nejen při pokojové teplotě, ale i za běžného tlaku. Jednoduše supravodič, který nepotřebuje žádné speciální, energeticky náročné podmínky. Navíc jde o sloučeninu relativně dostupných prvků – fosfor, kyslík, olovo a něco mědi. Jak se říká, „no nekup to“.

Závislost rezistivity na teplotě. Všimněte si průběh spodní křivky. Kredit: Sukbae Lee et al: Superconductor Pb10-xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism, arXiv 2023

A aby svůj převratný objev zdůraznili a podepřeli jeho důvěryhodnost, spojila se dvojice ze zmíněného Výzkumného centra pro kvantovou energii s dalšími čtyřmi jihokorejskými kolegy, aby výsledky předložili v jiné formě podruhé – opět v podobě článku na arXivu (zde). V něm se lze podrobněji dočíst trochu více o laboratorní syntéze materiálu s nečekanými, v podstatě zázračnými vlastnostmi, který nazývají olovnatým apatitem a označili LK-99, prý podle iniciál křesných jmen objevitelů (Sukbae Lee a Jihoon Kim) a roku, kdy se jim ho povedlo poprvé vytvořit.

Je nezpochybnitelné, že kdyby nezávislé výzkumy potvrdily závěry obou zmíněných článků, bomba bouchne a Korejci budou slavní. Hodně slavní. Jestli se ale prokáže opak, pak si naběhli na vidle dosti trapného omylu, jenž jejich vědecké reputaci neprospěje. A fyzikové jsou – jemně řečeno skeptičtí. Uplynulo jen několik dnů a na arXiv se objevila publikace (zde) čínských vědců z Fakulty materiálových věd a inženýrství, Univerzity Beihang v Pekingu. V článku popisují svůj výzkum, kterým chtěli replikovat, a tedy prověřit výsledky Jihokorejců. Žel neúspěšně, což odborníky na supravodivé materiály jistě nepřekvapilo. Nicméně Číňané netvrdí, že se Korejci jistojistě mýlí, jen uvádějí, jak jejich snaha o dosažení stejných výsledků selhala.

Co za materiál by měl být supravodivý i za běžných podmínek? Jak bylo zmíněno, vědci ze Soulu o něm píší jako o olovnatém apatitu. Od přírodního minerálu se liší složením i vzhledem. V geologii pojem apatit označuje skupinu barevně různorodých, ale chemicky blízkých odrůd minerálu, jenž je ve své podstatě fosforečnanem vápenatým s proměnlivou příměsí fluóru, chlóru nebo hydroxylové skupiny OH^-. Chemické složení lze zjednodušeně zapsat sumárním vzorcem Ca₅[(F, Cl, OH)|(PO₄)₃], přičemž výjimečně může docházet i k substituci některých atomů vápníku kationy jiných kovů. Vědci vypěstovaný tmavošedý, téměř černý apatit namísto vápníku obsahuje zejména olovo a sem-tam atom mědi, jak dokládá sumární vzorec Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O.

K jeho umělé syntéze vede několik kroků:

Plátek olovnatého apatitu LK-99 částečně levitující nad magnetem při pokojové teplotě. Projev supravodivosti nebo diamagnetických vlastností? Kredit: Sukbae Lee et al: Superconductor Pb10-xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism, arXiv 2023

1/ Práškový oxid olovnatý PbO a síran olovnatý PbO a PbSO₄ byly ve stejném poměru smíchány a směs pak po dobu 24 hodin zahřívána v peci na teplotu 725 °C. Výsledkem reakcí byla sloučenina Pb₂(SO₄)O, v přírodě známá jako minerál lanarkit.

2/ Směs práškového fosforu a mědi byla ve vakuované zkumavce udržovaná při teplotě 550 °C po dobu 48 hodin, což vedlo k vzniku krystalků fosfidu Cu₃P.

3/ Směs na prášek rozdrceného lanarkitu z kroku 1 a fosfidu měďného z kroku 2 byla ve vakuované trubici udržována po dobu několika hodin (5 až 20) při teplotě 925 °C. Přítomna síra ze síranu se v průběhu reakce odpařila. Zbyl výsledný produkt – kýžený LK-99, tedy Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O se šestereční (hexagonální) vnitřní strukturou, jakou má i přírodní apatit.

To, co je ale na šedočerné krystalické hmotě nejzajímavější, je kritická teplota, tedy horní teplotní limit, pod nímž elektrický proud prochází supravodivým materiálem prakticky bez odporu. Zatímco u supravodičů za běžného tlaku je tato kritická teplota blízká absolutní nule, při LK-99 je prý vyšší než 400 K, tedy 126,85 °C! Nicméně i pro laika je dost zarážející, že graf rezistivity čili měrného elektrického odporu uvedený v článku v obr. č.5 (také 3. obrázek v tomto textu) začíná při 24 °C a osa x je dělena po 4 °C. Z křivky měření vyplývá, že odpor je do teploty přibližně 30–32 °C nulový, pak mírně stoupne, aby pak kolem 44 °C opět klesl k nule. Mezi 60 °C a 90 °C mírně plynule stoupá, pak se do 104,8 °C ustálí na hodnotě asi 2 setiny Ω·cm, pak prudce vzroste na více než stonásobek.

Plátek olovnatého apatitu syntetizovaný čínskými vědci nebyl permanentním magnetem nijak odpuzován. Kredit: Li Liu et al: Semiconducting transport in Pb10-xCux(PO4)6O sintered from Pb2SO5 and Cu3P, arXiv 2023

Dalším pádným argumentem korejských vědců pro supravodivost LK-99 je levitace malého kruhového plátku tohoto materiálu v magnetickém poli silného magnetu za běžných pokojových podmínek. U supravodivých materiálů ochlazených pod kritickou teplotu dochází k takzvanému Meissnerovu jevu – k aktivnímu vytěsňování externího magnetického pole, takže siločáry začnou supravodič obtékat a nepronikají do hloubky větší než asi 20 nanometrů pod jeho povrch. To supravodič od magnetu odtlačuje a při vhodně zvolené kombinaci rozměrů, tvarů a síly působícího magnetického pole odpuzování se projeví levitací.

Nemá pro účel tohoto textu zabývat se dalšími podrobnostmi jihokorejských studií, které s nemalou pravděpodobností zapadnou časem do zapomnění. Hned po zveřejnění se ozvaly kritické hlasy, ale až výše zmíněna práce čínských vědců je prvním zdokumentovaným prověřením s předloženými výsledky replikovaných experimentů. Pekingští výzkumníci nejen zopakovali syntézu olovnatého apatitu LK-99, ale měřili elektrické vlastnosti i jednotlivých meziproduktů.

Když získali výslednou sloučeninu Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O, vytvořili z jeho prášku zpevněné vzorky ve tvaru kruhových plátků vhodných pro měření elektrického odporu a pro pokusy v magnetickém poli. Měřením rezistivity při pokojové teplotě získali hodnoty přibližně ~1,94×10⁴ Ω.cm, a to je, slovy samotných autorů, „nejméně o 7 řádů více než odpor kovů při pokojové teplotě, protože většina kovových materiálů má při pokojové teplotě rezistivitu menší než 10^-3 Ω.cm. Z toho vyplývá, že Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O je spíše polovodič než kov.“

Živá žába levituje v otvoru solenoidu generujícího magnetické pole o síle asi 16 Tesla v Nijmegen High Field Magnet Laboratory. Není v supravodivém stavu, jen její tkáň je diamagnetická, tedy generuje slabé "protipole" působící proti silnému vnějšímu. Kredit: Lijnis Nelemans, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Čínským vědcům se nepodařilo potvrdit ani levitační pokusy: „Když jsme tabletovou peletu Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O položili na komerční magnet Nd₂Fe₁₄B, nepocítili jsme žádné odpuzování a nebyla pozorována ani žádná magnetická levitace.“ Nenaměřili ani výrazné diamagnetické vlastnosti, o jakých referují Korejci. Naproti tomu v silném magnetickém poli (0,5 Tesla) zjistili paramagnetickou odezvu svých vzorků.

V závěru čínští vědci uvádějí:

„Stručně shrnuto, na základě velmi vzrušujícího tvrzení o supravodivosti modifikovaného olovnatého apatitu při pokojové teplotě a za atmosférického tlaku jsme úspěšně syntetizovali lanarkit Pb₂SO₅, fosfid mědi Cu₃P i modifikovaný olovnatý apatit Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O. U těchto materiálů byly komplexně prozkoumány jejich elektrické a magnetické vlastnosti. Naše výsledky ukazují, že modifikovaný olovnatý apatit Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O je polovodičem s velkou rezistivitou při pokojové teplotě v řádu 10⁴ Ω.cm, nikoli supravodič.

Tyto výsledky naznačují, že tvrzení o rezistivitě při pokojové teplotě u Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O vyžaduje pečlivé opětovné přezkoumání, a to zejména z hlediska vodivosti. Pevně věříme, že se brzy objeví další výzkumy v této oblasti od jiných skupin z celého světa a doufáme, že naše vlastní experimentální výsledky uvedené v této práci mohou být užitečné při objasnění vzrušujících zpráv.“

Výsledky z Pekingu zpochybňují senzační závěry vědců ze Soulu. I když se to dalo očekávat, přesto protichůdné výsledky levitačních experimentů jsou matoucí. Bez ohledu na to, jestli se korejský plátek nad magnetem částečně vznášel v důsledku Meissnerova efektu potvrzujícího supravodivost, nebo jen kvůli diamagnetickým vlastnostem materiálu se zápornou magnetickou susceptibilitou. Jednoduše se však nadnášel, zatímco ten čínský ne, i když měl mít stejné chemické složení. Je rozdíl ve vnitřní struktuře? Kdoví. Jistě by bylo zajímavým počinem, kdyby Korejci dali k dispozici své vzorky olovnatého apatitu k podrobnému výzkumu i pracovištím, které hodlají jejich převratná zjištění prověřit. Kvůli porovnání s vlastními vzorky při všech měřeních.

Video: „Supravodič“ LK-99 vykazující levitaci při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku. Na začátku videa je záznam částečné levitace olovnatého apatitu z originální dokumentace jihokorejských vědců. Poté autor videa nabízí shrnutí výzkumu.

(Je dobré připomenout, že ne každé YT video je důvěryhodné. Objevila se i krátká videa, v nichž někdo předvádí kousek „levitujícího“ prý LK-99, který prý vytvořili vědci čínské Huazhong University ve Wuhanu. Videa jsou soukromá, nekvalitní, bez odkazu na nějaký výzkum, bez komentáře. Pravděpodobně jde o cílený hoax.)

1

Video: LK-99 - nový supravodič při pokojové teplotě? V první asi třetině videa německá teoretická fyzička Sabina Hossenfelderová kriticky komentuje popsaný výzkum. (Video je v angličtině, zveřejněno 31. 7. 2023)

Literatura: arXiv 1, 2, 3 – volně dostupné články v pdf