ตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิห้องชนิดใหม่ที่ค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์

นักวิทยาศาสตร์ประกาศในสัปดาห์นี้ถึงความก้าวหน้าที่เย้ายวนไปสู่ความฝันของวัสดุที่สามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้อย่างง่ายดายในทุกสภาวะชีวิตประจำวัน ความก้าวหน้าดังกล่าวสามารถเปลี่ยนเทคโนโลยีเกือบทุกชนิดที่ใช้พลังงานไฟฟ้า เปิดโอกาสใหม่ๆ สำหรับโทรศัพท์ของคุณ รถไฟที่ลอยด้วยแม่เหล็ก และโรงไฟฟ้าฟิวชันในอนาคต

โดยปกติแล้ว การไหลของกระแสไฟฟ้าจะพบความต้านทานเมื่อมันเคลื่อนที่ผ่านสายไฟ เกือบจะเหมือนกับแรงเสียดทานรูปแบบหนึ่ง และพลังงานบางส่วนจะสูญเสียไปในรูปของความร้อน หนึ่งศตวรรษที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ได้ค้นพบวัสดุซึ่งปัจจุบันเรียกว่าตัวนำยิ่งยวด ซึ่งความต้านทานไฟฟ้าดูเหมือนจะหายไปอย่างน่าอัศจรรย์ แต่วัสดุเหล่านี้สูญเสียความต้านทานต่ออุณหภูมิที่เย็นจัดเป็นพิเศษเท่านั้น ซึ่งจำกัดการใช้งานจริง เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นหาตัวนำยิ่งยวดที่ทำงานที่อุณหภูมิห้อง

การประกาศในสัปดาห์นี้เป็นความพยายามครั้งล่าสุดในความพยายามดังกล่าว แต่มาจากทีมงานที่เผชิญกับความสงสัยอย่างกว้างขวางเนื่องจากบทความในปี 2020 ที่อธิบายถึงวัสดุที่เป็นตัวนำยิ่งยวดที่มีแนวโน้มดีแต่นำไปใช้ได้จริงน้อยคือ หด หลังจากที่นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ได้สอบถามข้อมูลบางส่วน

ตัวนำยิ่งยวดใหม่ประกอบด้วยลูเทเทียม โลหะหายากของโลก และไฮโดรเจนที่มีไนโตรเจนผสมอยู่เล็กน้อย มันจำเป็นต้องถูกบีบอัดให้มีความดัน 14,500 ปอนด์ต่อตารางนิ้วก่อนที่มันจะมีความสามารถในการเป็นตัวนำยิ่งยวด นั่นเป็นประมาณ 10 เท่าของแรงดันที่กระทำที่ด้านล่างของร่องลึกสุดของมหาสมุทร

แต่ก็ยังน้อยกว่าหนึ่งในร้อยของผลที่ต้องการในปี 2020 ซึ่งคล้ายกับแรงบดขยี้ที่พบในความลึกหลายพันไมล์ภายในโลก นั่นแสดงว่าการตรวจสอบวัสดุเพิ่มเติมอาจนำไปสู่ตัวนำยิ่งยวดที่ทำงานที่อุณหภูมิห้องโดยรอบและที่ความดันบรรยากาศปกติที่ 14.7 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว

“นี่คือจุดเริ่มต้นของวัสดุชนิดใหม่ที่มีประโยชน์สำหรับการใช้งานจริง” รังกา พี. เดียส ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ในนิวยอร์ก กล่าวกับห้องที่เต็มไปด้วยนักวิทยาศาสตร์เมื่อวันอังคาร ในการประชุมของ American Physical Society ในลาสเวกัส

การบัญชีที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นของการค้นพบของทีมคือ เผยแพร่เมื่อวันพุธในธรรมชาติซึ่งเป็นวารสารเดียวกับที่ตีพิมพ์ จากนั้นจึงถอนการค้นพบในปี 2020

ทีมงานที่โรเชสเตอร์เริ่มต้นด้วยแผ่นฟอยล์บางๆ ของลูทีเทียม ซึ่งเป็นโลหะสีขาวเงินที่เป็นหนึ่งในธาตุหายากที่สุดในบรรดาแร่หายาก แล้วอัดไว้ระหว่างเพชรสองเม็ดที่ประกบกัน ก๊าซไฮโดรเจน 99 เปอร์เซ็นต์และไนโตรเจน 1 เปอร์เซ็นต์ถูกสูบเข้าไปในห้องเล็ก ๆ และบีบให้มีแรงดันสูง ตัวอย่างถูกทำให้ร้อนข้ามคืนที่อุณหภูมิ 150 องศาฟาเรนไฮต์ และหลังจาก 24 ชั่วโมง ความดันจะถูกปล่อยออกมา

ประมาณหนึ่งในสามของเวลา กระบวนการนี้ให้ผลลัพธ์ที่ต้องการ: คริสตัลสีฟ้าสดใสขนาดเล็ก ดร. ไดอัสกล่าวว่า “การเติมไนโตรเจนลงในลูเทเทียมไฮไดรด์นั้นไม่ใช่เรื่องง่าย”

ในห้องทดลองแห่งหนึ่งของมหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ที่ใช้โดยกลุ่มของดร.เดียส หิรัญญา ปาสัน นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา ได้สาธิตคุณสมบัติการเปลี่ยนสีของวัสดุอย่างน่าประหลาดใจระหว่างการเยือนของนักข่าวเมื่อสัปดาห์ที่แล้ว เมื่อขันสกรูแน่นเพื่อเพิ่มแรงกด สีน้ำเงินก็เปลี่ยนเป็นสีแดงอมชมพู

“มันเป็นสีชมพูมาก” ดร. เดียสกล่าว ด้วยความกดดันที่สูงขึ้น เขากล่าวว่า “มันจะกลายเป็นสีแดงสด”

การฉายแสงเลเซอร์ผ่านคริสตัลเผยให้เห็นวิธีที่พวกมันสั่นสะเทือนและเปิดเผยข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้าง

ในอีกห้องหนึ่ง สมาชิกคนอื่นๆ ในทีมของ Dr. Dias กำลังทำการตรวจวัดแม่เหล็กบนคริสตัลอื่นๆ เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง รอยหยักที่คาดไว้จะปรากฏขึ้นในข้อมูลที่เขียนบนหน้าจอคอมพิวเตอร์ ซึ่งบ่งชี้ถึงการเปลี่ยนไปใช้ตัวนำยิ่งยวด

“นี่เป็นการวัดแบบสดที่เรากำลังทำอยู่ตอนนี้” ดร. ดิอาสกล่าว

ในบทความนี้ นักวิจัยรายงานว่าผลึกสีชมพูแสดงคุณสมบัติสำคัญของตัวนำยิ่งยวด เช่น ความต้านทานเป็นศูนย์ ที่อุณหภูมิสูงถึง 70 องศาฟาเรนไฮต์

“ฉันเป็นคนมองโลกในแง่ดีอย่างระมัดระวัง” ทิโมธี สโตรเบล นักวิทยาศาสตร์จากสถาบันคาร์เนกีเพื่อวิทยาศาสตร์ในวอชิงตันกล่าว ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาของดร.ดิอาส “ข้อมูลในกระดาษ มันดูดีมาก”

Paul CW Chu ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยฮูสตันซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัยกล่าวว่า “ถ้านี่เป็นเรื่องจริง ก็เป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญจริงๆ”

อย่างไรก็ตาม ส่วน “ถ้า” ของความรู้สึกนั้นวนเวียนอยู่รอบๆ ดร. ดิอาส ผู้ซึ่งเต็มไปด้วยความสงสัยและคำวิจารณ์ และแม้กระทั่งข้อกล่าวหาจากนักวิทยาศาสตร์ไม่กี่คนที่ว่าเขาสร้างข้อมูลบางอย่างขึ้นมา ผลลัพธ์ของรายงาน Nature ปี 2020 ยังไม่ได้รับการทำซ้ำโดยกลุ่มวิจัยอื่น ๆ และนักวิจารณ์กล่าวว่า Dr. Dias ช้าที่จะปล่อยให้คนอื่นตรวจสอบข้อมูลของเขาหรือทำการวิเคราะห์ตัวนำยิ่งยวดของเขาอย่างอิสระ

บรรณาธิการของ Nature ได้ถอนเอกสารฉบับก่อนหน้านี้เมื่อปีที่แล้วเกี่ยวกับข้อโต้แย้งของ Dr. Dias และผู้เขียนคนอื่นๆ

James Hamlin ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยฟลอริดากล่าวว่า “ผมสูญเสียความเชื่อใจในสิ่งที่มาจากกลุ่มนั้น”

อย่างไรก็ตาม เอกสารฉบับใหม่ได้ผ่านกระบวนการตรวจสอบโดยเพื่อนในวารสารฉบับเดียวกัน

“การดึงเอกสารกลับไม่ได้ทำให้ผู้เขียนขาดคุณสมบัติในการส่งต้นฉบับใหม่โดยอัตโนมัติ” โฆษกหญิงของ Nature กล่าว “ต้นฉบับที่ส่งเข้ามาทั้งหมดได้รับการพิจารณาอย่างเป็นอิสระบนพื้นฐานของคุณภาพและความทันเวลาของวิทยาศาสตร์ของพวกเขา”

ในการประชุมเมื่อวันอังคารที่ลาสเวกัส นักฟิสิกส์จำนวนมากมารวมตัวกันในห้องประชุมแคบๆ ซึ่งผู้ดำเนินรายการขอให้บางคนออกไปเพื่อที่พวกเขาจะได้ไม่ต้องยกเลิกการนำเสนอ เมื่อห้องสงบลง ดร. เดียสก็สามารถนำเสนอสิ่งที่เขาค้นพบได้โดยไม่หยุดชะงัก ขณะที่เขาขอบคุณฝูงชน ผู้ดำเนินรายการแสดงความเสียใจที่พวกเขาหมดเวลาสำหรับคำถาม

ดร. สโตรเบลยอมรับการโต้เถียงอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับดร. เดียสและการอ้างสิทธิ์พิเศษก่อนหน้านี้ที่ยังไม่ได้เกิดขึ้นอีก

“ฉันไม่ต้องการอ่านมากเกินไป แต่อาจมีรูปแบบพฤติกรรมที่นี่” ดร. สโตรเบลกล่าว “เขาน่าจะเป็นนักฟิสิกส์ความดันสูงที่เก่งที่สุดในโลก พร้อมที่จะคว้ารางวัลโนเบล หรือมีอะไรเกิดขึ้นอีก”

ภายใต้ความกดดัน

ตัวนำยิ่งยวดถูกค้นพบโดย Heike Kamerlingh Onnes นักฟิสิกส์ชาวดัตช์และทีมงานของเขาในปี 1911 ไม่เพียงแต่ตัวนำยิ่งยวดเท่านั้นที่นำไฟฟ้าได้โดยมีค่าความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ แต่พวกมันยังมีความสามารถประหลาดที่เรียกว่า Meissner effect ที่ทำให้สนามแม่เหล็กภายในวัสดุเป็นศูนย์ .

ตัวนำยิ่งยวดตัวแรกที่รู้จักนั้นต้องการอุณหภูมิที่สูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เพียงไม่กี่องศา หรือติดลบ 459.67 องศาฟาเรนไฮต์ ในช่วงทศวรรษที่ 1980 นักฟิสิกส์ได้ค้นพบสิ่งที่เรียกว่าตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง แต่ถึงแม้จะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวดในสภาวะที่เย็นจัดกว่าที่พบในการใช้งานในชีวิตประจำวัน

ทฤษฎีมาตรฐานที่อธิบายเกี่ยวกับตัวนำยิ่งยวดคาดการณ์ว่าไฮโดรเจนควรเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูงกว่านี้หากสามารถบีบอัดได้แรงพอ แต่แม้แต่เพชรที่มีความยืดหยุ่นมากที่สุดก็แตกก่อนที่จะถึงแรงกดดันขนาดนั้น นักวิทยาศาสตร์เริ่มมองหาไฮโดรเจนที่ผสมกับธาตุอื่น โดยสันนิษฐานว่าพันธะเคมีอาจช่วยบีบอัดอะตอมของไฮโดรเจนได้

ในปี พ.ศ. 2558 มิคาอิล เอเรเมตส์ นักฟิสิกส์แห่งสถาบันมักซ์พลังค์เพื่อเคมีในไมนซ์ ประเทศเยอรมนี รายงานว่าไฮโดรเจนซัลไฟด์ ซึ่งเป็นโมเลกุลที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนสองอะตอมและหนึ่งอะตอมของกำมะถัน เปลี่ยนเป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิลบ 94 องศาฟาเรนไฮต์เมื่อบีบให้เหลือประมาณ 22 ล้านอะตอม ปอนด์ต่อตารางนิ้ว นั่นคืออุณหภูมิสูงเป็นประวัติการณ์สำหรับตัวนำยิ่งยวดในเวลานั้น

ดร. Eremets และนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ ได้ค้นพบในภายหลังว่าแลนทานัมไฮไดรด์ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีไฮโดรเจนและแลนทานัมมีอุณหภูมิของตัวนำยิ่งยวดถึงลบ 10 องศาฟาเรนไฮต์ที่ความดันสูงพิเศษ

ในงานวิจัยที่อธิบายไว้ในเอกสารฉบับปี 2020 ที่ดึงออกมา กลุ่มของ Dr. Dias ใช้ไฮโดรเจน กำมะถัน และคาร์บอน นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าด้วยองค์ประกอบ 3 ประการ พวกเขาสามารถปรับคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของสารประกอบเพื่อให้ได้อุณหภูมิของตัวนำยิ่งยวดที่สูงขึ้น

ไม่ใช่ทุกคนที่เชื่อเช่นนั้น

ศัตรูหลักของ Dr. Dias คือ Jorge Hirsch นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก เขามุ่งเน้นไปที่การวัดที่กลุ่มของ Dr. Dias สร้างขึ้นจากการตอบสนองของสารประกอบคาร์บอน-ซัลเฟอร์-ไฮโดรเจนต่อสนามแม่เหล็กที่สั่น ซึ่งเป็นหลักฐานของผลกระทบ Meissner โครงเรื่องในกระดาษดูเรียบร้อยเกินไป และนักวิทยาศาสตร์ไม่ได้อธิบายว่าพวกเขาลบผลกระทบพื้นหลังในโครงเรื่องออกได้อย่างไร

เมื่อ Dr. Dias เปิดเผยข้อมูลดิบที่ซ่อนอยู่นั้น Dr. Hirsch กล่าวว่า การวิเคราะห์ของเขาบ่งชี้ว่าข้อมูลดังกล่าวสร้างขึ้นจากสูตรทางคณิตศาสตร์และไม่สามารถวัดได้จริงในการทดลอง “จากการวัด คุณจะไม่ได้รับสูตรการวิเคราะห์” ดร. เฮิร์ชกล่าว “คุณได้รับตัวเลขด้วยเสียง”

ข้อร้องเรียนของเขาเกี่ยวกับดร. ดิอาสมีมากขึ้นเรื่อย ๆ และไม่พอใจจนคนอื่น ๆ ในแวดวงนี้ส่งจดหมายร้องเรียนเกี่ยวกับพฤติกรรมก่อกวนหลายทศวรรษของดร. เฮิร์ช

ดร. เฮิร์ชเป็นผู้ที่ต่อต้านร้านขายของในจีนโดยมุ่งเป้าไปที่ทฤษฎี BCS ซึ่งคิดค้นขึ้นในปี 1957 โดยนักฟิสิกส์สามคน ได้แก่ John Bardeen, Leon N. Cooper และ J. Robert Schrieffer เพื่ออธิบายว่าตัวนำยิ่งยวดทำงานอย่างไร เขากล่าวว่า BCS เป็น “เรื่องโกหก” ในหลาย ๆ ด้านซึ่งไม่สามารถอธิบายผลกระทบของ Meissner ได้ เขามาพร้อมกับคำอธิบายทางเลือกของเขาเอง

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ดร.เฮิร์ชเคยกล่าวว่าวัสดุความดันสูงเหล่านี้ไม่สามารถเป็นตัวนำยิ่งยวดได้ เนื่องจากไฮโดรเจนไม่สามารถเป็นตัวนำยิ่งยวดได้ เขาได้รับพันธมิตรน้อย

ในขณะที่ดร. เฮิร์ชระมัดระวังที่จะกล่าวว่านักวิทยาศาสตร์คนอื่นที่ไม่ใช่ดร. เดียสไม่ได้ประพฤติผิด เขากล่าวว่าพวกเขากำลังหลอกลวงตัวเอง

“ในความเห็นของผม ขยะกลายเป็นบทสรุป” เขากล่าว

ความต้านทานและการสืบพันธุ์

ดร. แฮมลินแห่งมหาวิทยาลัยฟลอริด้ายังได้เจาะลึกถึงการวัดทางแม่เหล็กและกล่าวว่ามันดูราวกับว่าข้อมูลดิบได้มาจากข้อมูลที่เผยแพร่ ไม่ใช่ในทางอื่น

ดร. แฮมลินรู้สึกไม่สบายใจเช่นกันเมื่อพบว่ามีประโยคหลายประโยคจากวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเขาซึ่งเขียนในปี 2550 ปรากฏในวิทยานิพนธ์ของดร. ริอัสแบบคำต่อคำ

ดร. เดียสไม่สนใจคำวิจารณ์ที่ต่อเนื่องและกล่าวว่ากลุ่มของเขาให้คำอธิบาย “ผมแค่รู้สึกว่ามันเป็นแค่เสียงรบกวนจากพื้นหลัง” เขากล่าว “เราพยายามผลักดันวิทยาศาสตร์ของเราให้ก้าวหน้าต่อไป”

เขาบอกว่าเขายังคงยืนหยัดตามผลลัพธ์ก่อนหน้านี้ และเอกสารของวันพุธใช้เทคนิคใหม่สำหรับการวัดแม่เหล็ก เขากล่าวว่าบทความนี้ได้ผ่านการพิจารณาอย่างถี่ถ้วนแล้ว 5 รอบโดยผู้ตรวจสอบ และข้อมูลดิบทั้งหมดที่เป็นรากฐานของการค้นพบนั้นถูกแบ่งปัน

“มันกลับมาอีกครั้งในธรรมชาติ” ดร. ดิอาสกล่าว “นั่นมันบอกอะไรบางอย่างกับคุณ”

Sara Miller โฆษกหญิงแห่งมหาวิทยาลัย Rochester กล่าวว่าหลังจากการสอบถามของมหาวิทยาลัยสองครั้ง “พบว่าไม่มีหลักฐานสนับสนุนข้อกังวลดังกล่าว” เธอยังกล่าวด้วยว่าทางมหาวิทยาลัยได้ “พิจารณาเรื่องการเพิกถอนเอกสาร Nature ในเดือนกันยายน 2022 และได้ข้อสรุปเดียวกัน”

ในการคัดลอกประโยคจากวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของดร. แฮมลินนั้น ดร. ดิอาสกล่าวว่าเขาควรจะรวมการอ้างอิงไว้ด้วย “มันเป็นความผิดพลาดของฉันเอง” ดร. ดิอาสกล่าว

พิมพ์ซ้ำการวัดวัสดุคาร์บอน-ซัลเฟอร์-ไฮโดรเจน จากกระดาษที่หดกลับ 2020 กำลังเผยแพร่อยู่ แต่นั่นก็ทำให้เกิดคำถาม Dr. Strobel กล่าวว่า “พวกมันแตกต่างอย่างมากจากขนาดเดิม “ใครจะโต้แย้งว่าพวกเขาไม่ได้สร้างผลลัพธ์ซ้ำด้วยซ้ำ”

เนื่องจากวัสดุใหม่ที่มีลูเทเทียมเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ความดันต่ำกว่ามาก กลุ่มวิจัยอื่น ๆ จำนวนมากจะสามารถพยายามทำซ้ำการทดลองได้ ดร. เดียสกล่าวว่าเขาต้องการจัดเตรียมสูตรที่แม่นยำยิ่งขึ้นสำหรับวิธีทำสารประกอบและแบ่งปันตัวอย่าง แต่ปัญหาทรัพย์สินทางปัญญาจำเป็นต้องได้รับการแก้ไขก่อน เขาได้ก่อตั้งบริษัท Unearthly Materials ซึ่งวางแผนที่จะเปลี่ยนการวิจัยให้เป็นผลกำไร

ดร. Strobel กล่าวว่าเขาจะเริ่มทำงานทันทีที่เขากลับมาจากการประชุมที่ลาสเวกัส “เราสามารถรู้ผลได้อย่างแท้จริงภายในหนึ่งวัน” เขากล่าว

ดร. เฮิร์ชยังกล่าวอีกว่าเขาคาดหวังว่าคำตอบจะมาถึงโดยเร็ว “หากสิ่งนี้ถูกต้อง แสดงว่าการทำงานในช่วง 35 ปีที่ผ่านมาของผมผิดพลาด” เขากล่าว “ซึ่งฉันจะดีใจมากเพราะฉันจะรู้”

ดร. เฮิร์ชกล่าวเสริมว่า “แต่ฉันคิดว่าฉันถูกและนี่เป็นสิ่งที่ผิด”

คิมเบอร์ลีย์ แมคกี้ สนับสนุนการรายงานจากลาสเวกัส