論文と新しいビデオはこちら、サウスイースト大学が「室温超伝導体」LK-99の奇妙な抵抗挙動を説明

最近、各国の科学者らが韓国の「常温超伝導」物質LK-99に関する研究を発表し、悲観的な見方をする人が増えている。

しかし、超伝導体ではないとしても、LK-99 が示す特殊な特性が凝縮物質物理学の分野を進歩させる可能性があるとも考えられています。 LK-99 に関する人々の理解はまだ十分には進んでおらず、その性質については半導体、磁性材料、高導電性無機ポリマーなどが推測されています。

8月14日、東南大学のHou Qiang、Wei Wei、Zhou Xin、Wang Xinyue、Sun Yue、Shi Zhixiangらは、プレプリント論文プラットフォームarXivに「Cuドープアパタイトで観察される特殊な抵抗挙動の電流浸透モデル」と題する論文を提出した。この最新の研究は、LK-99の特性についていくつかの説明を提供している。

動画アドレス: https://www.bilibili.com/video/BV19u4y1i7nu/

東南大学の孫悦教授が今朝ビリビリ動画をアップロードし、初の解釈を行った。興味深いことに、論文は実際には先週木曜日の夜にarXivプラットフォームに提出されており、その時点でビデオは準備ができていたが、話題があまりにもセンシティブだったためか、論文は月曜日まで正式に発表されなかったと彼は語った。

サウスイースト大学の研究チームは、LK-99の特異な抵抗挙動を説明するために、LK-99の周囲にモデルを構築した。

論文リンク: https://arxiv.org/abs/2308.05778

以前、8月2日に孫悦氏のチームは、LK-99の抵抗が110K以下および常圧でゼロであることが観測されたと発表しました。しかし当時、これは室温超伝導の証拠ではなく、さらなる調査と測定が必要だとされていた。

続いて、今回の孫先生の動画分析を見てみましょう。

まず、図 1 は、Pb10-xCux (PO4) 6O の主相と銅および硫化銅不純物サンプルの X 線回折 (XRD) 分析を示しています。XRD は、結晶性材料および特定の非晶質材料の微細構造を研究するための効果的な方法であり、研究者によって最も一般的に使用される材料特性評価方法の 1 つでもあります。

東南大学で作製された LK-99 サンプルの X 線回折パターン。主相は Pb10-xCux (PO4) 6O、不純物相は Cu と Cu2S です。

同時に、孫教授のチームは、紙の中に銅が含まれている可能性があるサンプルの領域を視覚的にマークしました。彼らはまた、これらの領域の詳細な分析も実施しました。成分分析の結果、下図の赤い部分の主成分は銅、または銅と鉛からなる島であることが分かりました。孫教授のその後のモデルも、このような成分分析によって提案された仮定に基づいていました。

図 2 (a): サンプル写真、(b) サンプルの走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像、(c) サンプル全体のエネルギー分散型 X 線分光法 (EDS)、(d) および (b) の赤い円領域。 (e) 鉛、(f) 銅、(g) リンのエネルギー分散型X線スペクトル。

実際、サンプル写真（図 2 a）からは、明らかに銅である黄色の点在する領域が直感的にわかります。この仮説を検証するために、材料のX線エネルギー分散型（EDX）分析を慎重に実施したところ（図2f）、銅の分布が均一ではないことが明らかになりました。指定された領域（図 2b の赤い円）の分析で銅のモル分率が 90% を超えることが示された場合、この領域は基本的に銅と鉛で構成されていると考えられます。

この分析の結果に基づいて、研究者たちは仮説を提唱した。

以下は、孫教授のチームが LK99 で観測した 4 つの特殊な抵抗挙動です (すべて同じサンプルで観測されました)。図 3a は、これまで多くの研究チームによって観察されてきた半導体の挙動を示しています。つまり、温度が下がると、抵抗は増加し続けます。これは、ほとんどのサンプルで観察された結果です。

図 3: 同じサンプルの異なる領域で 4 回測定して得られた抵抗率と温度の関係。

図3bは、前のビデオで孫教授が言及した110K（約-163℃）以下で抵抗がほぼゼロになる結果を示しています。彼の研究は以前にarXivに投稿されました（論文「Pb10−xCux（PO4）6Oにおける100∘Kを超える抵抗ゼロの観測」）。

孫教授はまた、以前の研究でそれをゼロ抵抗と呼ぶのは厳密さが足りなかったと認めた。より正確な表現は、ほぼゼロ抵抗（または機器の分解能を下回る極めて小さな抵抗）である。

別の種類の抵抗挙動もあります。図 3c は、250K (約 -23℃) で抵抗率が低下することを示していますが、それでもゼロではありません。このとき、直線的に減少する抵抗曲線が観察されます。抵抗は 7.1K で急激に低下します。研究者は、これが金属鉛の特性に近いと考えています (鉛の超伝導転移温度は 7.1K)。

この観察に基づいて、研究者らは浸透モデルを提案した。簡単に言えば、図 3C に示すように、サンプル内に銅と鉛の「島」が多数形成されていると推測できます。通常、島は互いに分離しているため、温度が下がると半導体特性を示します。

ただし、図 3f に示すように銅と鉛の領域が非常に高密度である場合 (ただし、室温ではまだ互いに離れている)、温度が下がるにつれてこれらの銅島と鉛島の間の距離は徐々に近づくため、材料の抵抗率は徐々に低下します。これは、電流経路に低抵抗の銅と鉛が多く含まれるようになるためです。温度が十分に低い場合、銅とリード部分が互いに接続して電流経路が形成され、ほとんどの電流がこの経路を流れます。

このとき、4 リード法を使用すると、電流が非常に小さく、電圧も非常に小さいことがわかります。また、図 3b と同様に、抵抗がゼロに近い非常に小さな状況も観察されます。

もう一つの最も極端な状況もあります (図 3d を参照)。室温では、特定の領域の銅と鉛が接続されてチャネルが形成され、測定により銅鉛チャネルの抵抗が表示されます。

上記は、LK-99の特殊な抵抗特性について、東南大学チームによる説明です。

研究チームは磁化の詳細な測定も行い、マイスナー効果の兆候は発見されなかった。したがって、これまでのところ LK-99 では超伝導は観測されていないと結論付けることができます。

図4: サンプルの磁化。

動画の最後に孫教授は、室温超伝導は彼らのような超伝導体の究極の夢であり目標であり、個人的には室温超伝導が存在すると信じていると述べました。

しかし、この室温超伝導の波は、ほとんど打ち砕かれてしまいました。しかし、孫教授が言ったように、偉大な科学的発見は一夜にして達成されるものではありません。何世代にもわたる研究者の努力により、最終的には室温超伝導が実現できると信じています。