Investigadores parecen haber resuelto el enigma del LK-99. Un trabajo detectivesco científico ha desenterrado evidencia que demuestra que el material no es un Superconductor, y ha aclarado sus propiedades reales.

La conclusión destroza las esperanzas de que LK-99, un compuesto de cobre, plomo, fósforo y oxígeno, marcara el descubrimiento del primer superconductor que funcione a temperatura ambiente y presión normal. En cambio, los estudios han demostrado que las impurezas en el material, en particular el sulfuro de cobre, fueron responsables de las bruscas caídas en la resistividad eléctrica y la levitación parcial sobre un imán, que se parecían a las propiedades exhibidas por los superconductores.

La saga del LK-99 comenzó a fines de julio, cuando un Equipo liderado por Sukbae Lee y Ji-Hoon Kim en el Quantum Energy Research Centre, una empresa emergente en Seúl, publicó preimpresos afirmando que LK-99 es un superconductor a presión normal y temperaturas de al menos 127 ºC (400 kelvin). Todos los superconductores previamente confirmados funcionan solo a temperaturas y presiones extremas.

La afirmación extraordinaria atrajo rápidamente la atención del público interesado en la ciencia y los investigadores, algunos de los cuales intentaron replicar el LK-99. Los intentos iniciales no mostraron signos de superconductividad a temperatura ambiente, pero no fueron concluyentes. Ahora, después de docenas de esfuerzos de replicación, muchos expertos afirman con confianza que la evidencia muestra que LK-99 no es un superconductor a temperatura ambiente. 

Evidencia acumulada

El equipo surcoreano basó su afirmación en dos propiedades de LK-99: la levitación sobre un imán y las caídas abruptas en la resistividad. Pero equipos separados en Pekín, en la Universidad de Pekín y la Academia China de Ciencias, encontraron explicaciones mundanas para estos fenómenos.

Otro estudio, realizado por investigadores estadounidenses y europeos, combinó evidencia experimental y teórica para demostrar cómo la estructura de LK-99 hacía que la superconductividad fuera inviable. Y otros experimentadores sintetizaron y estudiaron muestras puras de LK-99, eliminando las dudas sobre la estructura del material y confirmando que no es un superconductor, sino un aislante.

La única confirmación adicional vendría si el equipo coreano compartiera sus muestras, Dice Michael Fuhrer, un físico de la Universidad Monash en Melbourne, Australia. "La carga está en ellos para convencer a todos los demás", dice.

Quizás la evidencia más sorprendente de la superconductividad de LK-99 fue un video tomado por el equipo coreano que mostraba una muestra en forma de moneda de material plateado tambaleándose sobre un imán. El equipo dijo que la muestra estaba levitando debido al efecto Meissner, una característica distintiva de la superconductividad en la que un material expulsa los campos magnéticos. Posteriormente, circularon en las redes sociales varios videos no verificados de LK-99 levitando, pero ninguno de los investigadores que inicialmente intentaron replicar los hallazgos observó levitación alguna.

Levitación a medias

Varios indicadores llamaron la atención de Derrick van Gennep, un ex-investigador de la materia condensada en la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, que ahora trabaja en finanzas pero se sintió intrigado por LK-99. En el video, el mismo borde de la muestra parecía pegarse al imán y parecía estar en equilibrio delicado. En contraste, los superconductores que levitan sobre imanes pueden girar e incluso mantenerse boca abajo. "Ninguno de esos comportamientos se parece a lo que vemos en los videos de LK-99", dice van Gennep.

Él pensó que las propiedades de LK-99 eran más propias del ferromagnetismo. Así que construyó un pellet de virutas de grafito comprimidas con limaduras de hierro pegadas. Un video hecho por Van Gennep muestra que su disco, hecho de materiales no superconductores y ferromagnéticos, imitó el comportamiento de LK-99.

El 7 de agosto, el equipo de la Universidad de Pekín informó que esta "levitación a medias" aparecía en sus muestras de LK-99 debido al ferromagnetismo. "Es exactamente como un experimento con limaduras de hierro", dice Yuan Li, un físico de la materia condensada y coautor del estudio. El pellet experimenta una fuerza de elevación, pero no es suficiente para levitar, solo para equilibrarse en un extremo.

Li y sus colegas midieron la resistividad de su muestra y no encontraron signos de superconductividad. Pero no pudieron explicar la brusca caída de la resistividad observada por el equipo coreano.

Muestras impuras

En su preimpresión, los autores coreanos notaron una temperatura particular en la que LK-99 mostró una caída de diez veces en la resistividad, de aproximadamente 0,02 ohm-centímetros a 0,002 ohm-cm. "Fueron muy precisos al respecto. 104,8ºC", dice Prashant Jain, un químico de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. "Me quedé pensando, espera un minuto, conozco esta temperatura".

La reacción que sintetiza LK-99 utiliza una receta desequilibrada: por cada parte que crea de cristal de fosfato de plomo dopado con cobre, es decir, LK-99 puro, produce 17 partes de cobre y 5 partes de azufre. Estos residuos llevan a numerosas impurezas, especialmente sulfuro de cobre, que el equipo coreano informó en su muestra.

Jain, un experto en sulfuro de cobre, recordó 104 ºC como la temperatura a la que Cu2S experimenta una transición de fase. Por debajo de esa temperatura, la resistividad de Cu2S expuesto al aire disminuye drásticamente, una señal casi idéntica a la supuesta transición de fase superconductora de LK-99. "Casi no podía creer que lo hubieran pasado por alto". Jain publicó un preimpreso sobre el importante efecto confusión.

El 8 de agosto, el equipo de la Academia China de Ciencias informó sobre los efectos de las impurezas de Cu2S en LK-99. "Se pueden sintetizar diferentes contenidos de Cu2S utilizando diferentes procesos", dice Jianlin Luo, un físico de la Academia China de Ciencias. Los investigadores probaron dos muestras, la primera calentada en un vacío, que resultó en un contenido de 5% de Cu2S, y la segunda al aire, que dio un contenido de 70% de Cu2S.

La resistividad de la primera muestra aumentó de manera relativamente suave a medida que se enfriaba y se parecía a las muestras de otros intentos de replicación. Pero la resistividad de la segunda muestra cayó cerca de 112 ºC (385K), coincidiendo estrechamente con las observaciones del equipo coreano.

"Ese fue el momento en el que dije, 'bueno, obviamente, eso es lo que los hizo pensar que esto era un superconductor'", dice Fuhrer. "El clavo en el ataúd fue esta cosa del sulfuro de cobre".

Hacer declaraciones concluyentes sobre las propiedades de LK-99 es difícil, porque el material es caprichoso y las muestras contienen impurezas variables. "Incluso de nuestro propio crecimiento, diferentes lotes serán ligeramente diferentes", dice Li. Pero Li argumenta que las muestras que se acercan lo suficiente a las originales son suficientes para verificar si LK-99 es un superconductor en condiciones ambientales.

Cristalino

Con explicaciones sólidas para la caída de la resistividad y la levitación a medias, muchos en la comunidad estaban convencidos de que LK-99 no era un superconductor a temperatura ambiente. Pero quedaban misterios: en concreto, ¿cuáles eran las propiedades reales del material?

Los primeros intentos teóricos utilizando un enfoque llamado teoría funcional de la densidad (DFT) para predecir la estructura de LK-99 habían insinuado firmas electrónicas interesantes llamadas 'bandas planas'. Estas son áreas donde los electrones se mueven lentamente y pueden estar fuertemente correlacionados. En algunos casos, este comportamiento lleva a la superconductividad. Pero estos cálculos se basaron en suposiciones no verificadas sobre la estructura de LK-99.

Para comprender mejor el material, el grupo estadounidense-europeo realizó imágenes de rayos X de alta precisión de sus muestras para calcular la estructura de LK-99. Crucialmente, las imágenes les permitieron hacer cálculos rigurosos que aclararon la situación de las bandas planas: no eran propicias para la superconductividad. En cambio, las bandas planas en LK-99 provenían de electrones fuertemente localizados, que no pueden 'saltar' de la manera que requiere un superconductor.

El 14 de agosto, un equipo separado, en el Instituto Max Planck de Investigación en Estado Sólido en Stuttgart, Alemania, informó que había sintetizado cristales puros y únicos de LK-99. A diferencia de los intentos anteriores de síntesis que se basaron en crisoles, los investigadores utilizaron una técnica llamada crecimiento de cristales en zona flotante que les permitió evitar la introducción de azufre en la reacción, eliminando las impurezas de Cu2S.

El resultado fue un cristal morado transparente, LK-99 puro, o Pb8.8Cu1.2P6O25. Separado de las impurezas, LK-99 no es un superconductor, sino un aislante con una resistencia en los millones de ohmios, demasiado alta para realizar una prueba de conductividad estándar. Muestra un ferromagnetismo y diamagnetismo menores, pero no suficiente para levitar siquiera parcialmente. "Por lo tanto, descartamos la presencia de superconductividad", concluyó el equipo.

El equipo sugiere que las insinuaciones de superconductividad vistas en LK-99 se debieron a las impurezas de Cu2S, que están ausentes de su cristal. "Esta historia muestra exactamente por qué necesitamos cristales únicos", dice Pascal Puphal, un especialista en crecimiento de cristales y el físico de Max Planck que dirigió el estudio. "Cuando tenemos cristales únicos, podemos estudiar claramente las propiedades intrínsecas de un sistema".

Lecciones aprendidas

Para Leslie Schoop, una química de estado sólido en la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, quien coautorizó el estudio de las bandas planas, la lección sobre cálculos prematuros es clara. "Incluso antes de LK-99, he estado dando charlas sobre cómo hay que tener cuidado con la DFT, y ahora tengo la mejor historia para mi próxima escuela de verano", dice.

Jain señala la importancia de datos antiguos, a menudo pasados por alto: las medidas cruciales en las que se basó la resistividad de Cu2S se publicaron en 1951.

Si bien algunos comentaristas han señalado la saga de LK-99 como un modelo de reproducibilidad en la ciencia, otros dicen que es una resolución inusualmente rápida de un enigma de alto perfil. "A menudo estas cosas mueren una muerte muy lenta, donde solo son rumores y nadie puede reproducirlo", dice Fuhrer.

Cuando se descubrieron los superconductores de óxido de cobre en 1986, los investigadores se apresuraron a investigar sus propiedades. Pero casi cuatro décadas después, todavía hay un debate sobre el mecanismo superconductor del material, dice Vishik. Los esfuerzos para explicar LK-99 vinieron con facilidad. "El trabajo detectivesco que envuelve todas las piezas de la observación original, creo que es realmente fantástico", dice. "Y es relativamente raro".

Fotografía:Hyun-Tak Kim