ネイチャー誌に「LK-99は超伝導体ではない」という記事が掲載された。

長年続いていた室温超伝導の謎が解明されたようだ。

昨日、ネイチャー誌は「LK-99は室温超伝導体ではない - 科学者の探偵はこの謎をどう解くのか」という記事を掲載した。

著者のダン・ガリストは物理学の学位を持ち、かつてはフェルミ国立加速器研究所で働いていた科学ライターです。

記事アドレス: https://www.nature.com/articles/d41586-023-02585-7

8月16日、中国科学院物理研究所は、3つの異なる研究グループのLK-99サンプルについてより詳細な研究を行い、3つの独立したサンプルの電磁気特性はすべて、サンプル内の硫化銅に由来するものであり、LK-99の室温超伝導性を否定するものであると判断した。

論文アドレス: https://arxiv.org/abs/2308.07800

ダン・ガリスト氏は16日の最新記事で、最近十数日間連続して起きている常温超伝導反転現象をまとめ、主要機関の研究成果をつなぎ合わせて、なぜLK-99が超伝導のような挙動を示すのかという謎を明らかにした。

科学捜査班は、LK-99 が超伝導体ではないという証拠を発見した。サンプルの抵抗率の急激な低下と磁石の部分的な浮上の原因は、物質内の不純物、特に硫化銅によるものだった。

この結論は、LK-99が「史上初の常温・常圧超伝導体」になるという希望を完全に打ち砕いた。

「これで話は終わり、今日はこれで終わりにできると思う」とカリフォルニア大学デービス校の凝縮物質実験者イナ・ビシック氏は語った。

LK-99をめぐる論争は7月下旬、ソウルの新興企業である量子エネルギー研究センターのSukbae Lee氏とJi-Hoon Kim氏が率いるチームがarXivにプレプリント論文2本を発表し、LK-99は常圧で127℃（400K）以上の温度では超伝導体であると主張したことから始まり、瞬く間に世界の注目を集めた。

なぜなら、これまでに確認されたすべての超伝導体は、極端な温度と圧力下でのみ機能するからです。

2つの論文は世界中の学術機関やアマチュア愛好家の間で再現実験ブームを巻き起こし、8月以降、さまざまな再現実験や論文が毎日発表されている。

8月2日、華中科技大学の研究チームはサンプルの磁気浮上現象の再現に成功した。 8月3日、東南大学チームはLK-99のゼロ抵抗現象の測定に成功した。これらの再現実験はかつて、一般大衆と学界の興奮を最高レベルにまで高めました。

残念ながら、多くの再現実験を経て、世界中の多くの機関は、LK-99 は室温超伝導体ではないという結論に達しました。

LK-99が超伝導物質であることを否定する一連の証拠

韓国チームがLK-99が超伝導体であると信じていた2つの基本的な証拠、すなわち磁石上での浮上現象と抵抗率の急激な低下は、北京大学と中国科学院（CAS）による2つの独立した研究結果によって、他の理由によって説得力のある形で説明された。

米国のプリンストン大学とドイツのマックス・プランク研究所による研究では、実験的証拠と理論的証拠を組み合わせて、LK-99の構造が超伝導体になり得ない理由を示しました。

ドイツのマックス・プランク研究所の実験研究者らは、LK-99の純粋なサンプルを合成して研究し、この物質の構造に関するこれまでの疑問を払拭し、LK-99が超伝導体ではなく絶縁体であることを確認した。

ドイツのマックス・プランク研究所のチームが合成したLK-99の純粋な結晶

この期間中、LK-99が室温超伝導体である可能性を示す唯一のさらなる証拠は、韓国チームが共有した別のビデオから得られたものです。

今、世界の注目は韓国チームに集まっている。

これまでのところ、LK-99の超伝導性を裏付ける最も説得力のある証拠は、韓国のチームが撮影したビデオです。

その後の再現実験では、浮上や超伝導は観測されなかった。

証明されていない浮遊

ハーバード大学の元凝縮系研究者であるデリック・ヴァン・ゲネップ氏は、LK-99に非常に興味を持ち、韓国のグループが展示したLK-99のサンプルに似たビデオを制作した。

LK-99 のビデオと同様に、このサンプルは端が磁石にくっついているようで、微妙なバランスが保たれているように見えます。

対照的に、磁石から吊り下げられた超伝導体は、反対側を浮遊させるために回転させたり、さらには逆さまにしたりすることもできます。

彼は、LK-99 の特性は強磁性の結果である可能性が高いと考えています。

そこで彼は、圧縮したグラファイトチップを鉄粉で固めて作ったペレットを使ってこのサンプルを作り、LK-99 が浮遊する様子をシミュレートしたビデオを作成しました。

8月7日、北京大学チームの研究結果でも、LK-99サンプルの浮遊は強磁性によるものだと考えられていた。

研究チームは論文の中で、サンプル内の粒子は強磁性のため揚力を受けるが、粒子を浮かせたままにするには不十分で、片方の端でしかバランスを保てないと述べた。

リー氏とその同僚はサンプルの抵抗率を測定したが、超伝導の兆候は見つからなかった。しかし、韓国チームが観測した電気抵抗率の急激な低下は説明できなかった。

不純なサンプル

韓国チームが提出したプレプリントでは、LK-99 の抵抗が明らかに急上昇していることが示されており、104.8℃ では抵抗率が 0.02 ohm/cm から 0.002 ohm/cm に低下しました。

しかし、LK-99 を合成するための反応式は均一ではなく、純粋な LK-99 が生成されます。つまり、銅ドープリン酸鉛結晶 1 部に対して、銅が 17 部、硫黄が 5 部になります。

これらの残留物はLK-99の不純物となり、特に銅硫黄化合物が大きな割合を占めます。

これらの不純物は韓国チームのサンプルでも報告された。

その後、この銅硫黄化合物不純物が、LK-99の「超伝導」の謎を解く鍵となった。

硫化銅の専門家であるジェインは、104°C が Cu2S が相転移を起こす温度であることを覚えています。

この温度以下では、Cu2S の抵抗率は空気にさらされると劇的に低下し、この点は LK-99 のいわゆる超伝導相転移の特徴とほぼ同じでした。

ジェイン氏は韓国チームの論文を読んだ後、「彼らがCu2Sの分析を見逃していたとは到底信じられなかった」と語った。

8月9日、ジェイン氏はこの重要な交絡効果に関するプレプリント論文をarXivに発表した。

論文アドレス: https://arxiv.org/abs/2308.05222

論文の結論では、LK-99の超伝導性を明確に検証するには、LK-99にCu2Sが存在しない条件下で行う必要があると述べられています。

偶然にも、ジェイン氏が論文を発表する前日に、中国科学院物理研究所もCu2S不純物がLK-99に与える影響を確認した。

研究チームは、LK-99の「超伝導」挙動は、Cu2Sが385Kで高温β相から低温相へと一次構造γ相転移を起こすことで抵抗率が減少するためである可能性が高いと考えています。

論文アドレス: https://arxiv.org/abs/2308.04353

研究チームは、異なるCu2S含有量を持つLK-99サンプルを合成しました。最初のサンプルは真空中で加熱され、Cu2S含有量は5%でした。空気中で加熱された2番目のサンプルのCu2S含有量は70%でした。

これら 2 つのサンプルの抵抗率をテストしたところ、次のことがわかりました。

5% Cu2S を含むサンプルの抵抗率は冷却時に比較的スムーズに増加し、他の複製の試みからのサンプルと似ているように見えます。

しかし、70%のCu2Sを含むサンプルの抵抗率は112°C（385K）付近で急激に低下しており、これは韓国チームの観察結果に非常に近い。

しかし研究チームは、LK-99には多くの不純物が含まれており、異なるバッチから合成されたサンプルは異なるため、LK-99の特性について確固たる結論を導き出すことは難しいとも述べた。

しかし、研究チームは、韓国チームの元のサンプルに十分近いサンプルを合成できれば、LK-99が室温で超伝導体であるかどうかをテストできるとも考えている。

純粋なLK-99クリスタル

半サスペンションの抵抗率低下やその他の非超伝導性に関する強力な説明により、LK-99 は室温超伝導体ではないという見方が徐々に主流になりつつあるようです。

しかし、LK-99の実際の性質は科学者によってまだ確認されていない。

LK-99を分離・精製するのは非常に難しく、合成されるサンプルも毎回大きく異なるため、科学者たちは当初、密度汎関数理論（DFT）と呼ばれる手法を使ってLK-99の構造を予測しようと試みた。

この理論に導かれて、LK-99 の予​​測構造は「フラットバンド」と呼ばれる興味深い電子的特徴を示します。

「フラットバンド」は、電子がゆっくりと移動し、強く相関する可能性がある領域です。場合によっては、「フラットバンド」の電子特性が超伝導につながることもあります。

しかし、これは LK-99 に関する未確認の構造仮定に基づいた計算にすぎません。

物質をより深く理解するために、米国と欧州のチームはサンプルの単結晶X線回折（SXRD）イメージングを実施し、LK-99の構造を計算しました。

論文アドレス: https://arxiv.org/abs/2308.05143

画像化によって研究チームは厳密な計算を実行し、フラットバンドで何が起こっているのかを明らかにすることができた。フラットバンドは超伝導には役立たないということだ。

対照的に、LK-99 の平坦なバンドは、超伝導体に必要な「ジャンプ」ができない、強く局在化した電子から生じます。

研究チームは、LK-99が超伝導物質である可能性を否定し、強磁性体である可能性が高いと考えた。

これまでのところ、多くの研究で、LK-99 が室温超伝導体である可能性は否定されています。

しかし、LK-99が室温超伝導であると信じている支持者もまだいます。彼らは、LK-99を否定する研究では基準を満たす純度でLK-99を合成しておらず、それがこれまでの実験の失敗の原因であると考えています。

しかし8月14日、ドイツのシュトゥットガルトにあるマックス・プランク固体研究所の独立チームが、LK-99の純粋な単結晶の合成を報告した。

論文アドレス: https://arxiv.org/abs/2308.06256

るつぼに依存したこれまでの合成方法とは異なり、研究チームは浮遊ゾーン結晶成長と呼ばれる技術を使用しました。

彼らは、LK-99の合成中に反応に硫黄が導入されるのを避け、それによってCu2S不純物を排除しました。

実験的な合成の結果、透明な紫色の結晶、つまり純粋な LK-99 が得られました。

しかし、研究結果によると、不純物を分離した後、LK-99は超伝導体ではなく、数百万オームの抵抗を持つ絶縁体であることがわかりました。

抵抗が非常に高いため、標準的な導電性テストも実行できません。

同時に、純粋な LK-99 はわずかな強磁性と反磁性を示しますが、懸濁効果はまったく示されません。

「上記の理由により、LK-99に超伝導が存在する可能性は否定される」と研究チームは結論付けた。

これにより、LK-99 の超伝導は基本的に Cu2S 不純物に由来するものであることが確認されましたが、この不純物は LK-99 の純粋な結晶には存在しません。

「この出来事は単結晶の重要性を物語っている」と、この研究を率いたマックス・プランク物理学研究所の科学者パスカル・プファル氏は言う。「単結晶があれば、システムの固有の特性をはっきりと研究できる。」

学んだ教訓

多くの研究者は、この超伝導嵐から学べる教訓について熟考している。

プリンストン大学の固体化学者レスリー・スクープ氏は、科学者は時期尚早な計算結果から学ぶ必要があると語る。

「LK-99事件が起こる前は、DFTの真剣な使用を信じていました。今、次の夏のプロジェクトに向けて、とてもエキサイティングなケースが準備できています」と彼女は語った。

ジェイン氏は、これまでの研究データの重要性を指摘した。例えば、北京大学の論文では、抵抗の急上昇の原因は硫化銅であると指摘され、これがLK-99の超伝導性を否定する鍵となった。しかし、硫化銅の抵抗率の測定結果は1951年にすでに発表されていた。

LK-99の事例を科学研究の再現性のモデルとして挙げる批評家もいるが、注目度の高い問題が異例の速さで解決された例だと指摘する批評家もいる。

ある科学者はこう語った。「過去には、類似の材料のほとんどを再現するのが難しいため、この種のことを反証するのは困難だった。」

たとえば、1986 年に銅酸化物超伝導体が発見された後、研究者たちはこの物質の特性を研究し始めました。

約40年経った今でも、この物質の超伝導メカニズムについては依然として論争が続いています。

しかし、このような状況は本当に珍しいものの、LK-99 の研究は順調に進みました。