Научный детектив: в чем опасность гонки за сверхпроводимостью
Если вы думаете, что ученые — это тихие задумчивые люди, интеллигентно ведущие негромкие дискуссии о непонятном, то, вероятно, у вас просто мало знакомых ученых. В лабораториях порой кипят не только растворы в пробирках, но и поистине шекспировские страсти. Особенно если речь идет о горячих темах, сулящих научные прорывы (и высокие доходы) — таких, как открытие материалов, способных к сверхпроводимости при комнатной температуре. В начале апреля авторитетный журнал Nature опубликовал целое расследование, посвященное истории «открытия» и последующего скандального «закрытия» двух новых сверхпроводников, в которые инвесторы уже вложили миллионы долларов.
Космический холод
В обычных электрических проводах движение тока определяется открытым еще в XIX веке законом Ома, который мы проходим в школьном курсе физики: сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление проводника.
Электрическое сопротивление в большей или меньшей степени присуще всем токопроводящим материалам, оно переводит часть энергии тока в тепло. За счет этого, например, нагревается спираль электроплитки.
Однако в 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил удивительный эффект: при сверхнизкой температуре -269 градусов Цельсия, которую он получил, используя жидкий гелий, электрическое сопротивление ртути не просто уменьшилось — оно полностью исчезло, стало равно нулю. Это явление и было названо сверхпроводимостью.
В 1933 году немецкий физик Вальтер Мейснер открыл еще одно удивительное свойство сверхпроводников — они непроницаемы для магнитного поля и отталкивают магниты. Если над сверхпроводником поместить небольшой постоянный магнит, он будет левитировать. Теоретически обосновать эффект сверхпроводимости сумели в 1957 г. три американских физика — Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шрифер, за что в 1972 году получили нобелевскую премию по физике.
К сожалению, их теория не может предсказать, какое именно вещество и при каких условиях будет обладать сверхпроводящими свойствами, поэтому поиски новых сверхпроводников происходили практически вслепую, методом проб и ошибок. Что не помешало человечеству поставить их себе на службу.
От левитации до квантовых компьютеров
Развитие сверхпроводниковой технологии позволило инженерам делать множество интересных вещей, например, сверхмощные электромагниты, которые используются для магнитно-резонансной томографии (МРТ). Это метод сканирования человеческого тела, который, в отличие от рентгена, гораздо лучше «видит» мягкие ткани, чем кости, что сделало наличие МРТ практически обязательным в каждой современной клинике. Сейчас в мире около 36 тыс. аппаратов МРТ, и каждый год производится 2 500 новых. Объем рынка такой техники оценивался в $6,6 млрд в 2023 году.
Другое применение мощных сверхпроводящих электромагнитов — создание поездов на магнитной подушке (маглев), которые просто летят над дорожным полотном, и отсутствие трения позволяет достигать невероятных скоростей до 430 км/ч. Уже эксплуатируются шесть коммерческих линий маглева — в Японии, Китае и Южной Корее.
На основе эффектов сверхпроводимости создаются сверхбыстрые квантовые компьютеры, которые могут совершить революцию во многих отраслях нашей жизни. По данным консалтинговой компании McKinsey в мире над различными аспектами квантовых вычислений работают 350 стартапов. Объем инвестиций в 2022 г. составил $2,35 млрд от частных инвесторов и $34 млрд от государств.
Более широкое применение сверхпроводников (например, в электроэнергетике и компьютерной технике) ограничивается тем, что они работают только при очень низкой температуре, а системы охлаждения на жидком азоте или жидком гелии — сложны и дороги.
«Святой Грааль» современной физики — найти вещество, которое проявляло бы свойство сверхпроводимости при комнатной или почти комнатной температуре.
Надежду дает сделанное в 2018 г. открытие сверхпроводимости гидрида лантана всего лишь при -13 градусах Цельсия. Но… для этого требуется также колоссальное давление в 1,7 млн атмосфер.
Любое сообщение о сверхпроводимости при атмосферном давлении и комнатной температуре мгновенно привлекает всеобщее внимание.
Вообразите себе мир, в котором электричество не тратится на преодоление сопротивления в проводах. Одно это дало бы человечеству дополнительно около 5% электрической мощности, что эквивалентно постройке примерно 425 электростанций, каждая из которых способна снабжать энергией миллион человек.
Не говоря уже о гораздо более легких и мощных компьютерах, а также магнитах для маглевов, МРТ и термоядерных реакторов.
Скандал в благородном семействе
Эта история началась с того, что в 2020 г. известный физик из Рочестерского университета (США) Ранджа Диас опубликовал в журнале Nature статью об открытии сверхпроводимости в углеродистом гидриде серы при температуре +15 градусов Цельсия.
Материалу все равно требовалось давление в миллионы атмосфер, но сам факт, что впервые открыт сверхпроводник при плюсовой температуре, вызвал в научном сообществе энтузиазм, а журнал Time включил ученого в свой рейтинг лидеров будущего Time100Next 2021 года.
Диас принялся ковать железо пока горячо: он сразу же создал стартап Unearthly Materials, предназначенный для коммерциализации его открытий и начал искать инвесторов. Кроме того, он подал заявку в Национальный научный фонд США (NSF) и в 2021 году получил грант на исследования в размере $790 тыс.
Тем временем к его исследованию копились вопросы. Одним ученым показались странными данные, другие пытались воспроизвести эффект в своих лабораториях и не достигли успеха.
В просьбах дать более подробную информацию об эксперименте Диас отказывал, ссылаясь на то, что «оформляет патенты». Наконец, больше чем через год он обнародовал исходные данные, и проверяющие обнаружили в них признаки манипуляции. Несмотря на то, что университет Рочестера объявил, что не нашел недобросовестности в действиях ученого, статья в Nature была отозвана.
Но на этом история не завершилась. Весной 2023 г. Диас снова потряс научный мир статьей, в которой он утверждал, что обнаружил сверхпроводимость в гидриде лютеция при комнатной температуре и «почти атмосферном» давлении (на самом деле около 10 тысяч атмосфер, но это на порядки меньше, чем требовалось раньше).
Но и тут вышла осечка — уже осенью того же года 8 из 11 соавторов статьи написали в Nature письмо, в котором «выразили мнение, что опубликованная статья неточно отражает происхождение исследуемых материалов, проведенные экспериментальные измерения и примененные протоколы обработки данных». Статья тоже была отозвана. А проведенное по заказу Рочестерского университета новое расследование показало, что «ответчик занимался фальсификацией, фабрикацией и/или плагиатом данных, изображений и текста в каждой из статей и в заявке на грант, поданной в NSF».
Сколько на этой истории могли потерять инвесторы, точно неизвестно. По данным The New York Times Диас успел собрать для своего стартапа $16,5 млн. Как обнаружил TechCrunch, на презентациях Диас рассказывал, что собрал уже больше $20 млн у известных в мире стартапов персон и фондов, однако позднее стал утверждать, что это были «всего лишь потенциальные» инвесторы.
В любом случае, эта история показывает, с какой осторожностью нужно подходить к вложениям в «перегретые» научные темы, какие бы чудеса они не сулили.
