中国チームが超伝導において新たな大きな進歩を遂げました！ LK-99のような物質は、再現性と検証性を備えた超伝導性を示す。

室温超伝導に新たな進歩はありますか?

華南理工大学、中南大学、中国電子科技大学の研究者らは12月19日、Arxivに論文を発表し、新しい合成材料CSLAで顕著な反磁性ヒステリシスループを伴う低磁場マイクロ波吸収を計測し、磁場の方向を連続的に回転させることでこの現象を弱めて消滅させることができると発表した。

研究チームによれば、おそらく超伝導を除いて、いかなる種類の磁性も外部磁場によって打ち消すことはできない。

論文アドレス: https://browse.arxiv.org/html/2312.10391v1

この論文では、マイスナー効果とゼロ抵抗を測定することなく、この効果を使用して材料が超伝導であると推測できる理由について説明します。

簡単に言えば、研究者らは超伝導の特徴であるマイスナー効果やゼロ抵抗は測定しなかったものの、「低磁場マイクロ波吸収（LFMA）」と呼ばれる方法を使用して、自らが合成したLK-99に類似した化合物（CSLA）を測定し、顕著なメモリ効果とキュリー点ヒステリシスを発見した。

CSLA は現在、多相混合物の合成しかできないため、従来の電気的または磁気的測定を行って超伝導特性を検証することは不可能です。

この記事では、マイクロ波吸収分光法を使用して、サンプル内に超伝導相が存在するかどうかを検出します。 CSLA において、従来とは異なる手段で超伝導の兆候が観測されたのは今回が初めてです。

低磁場範囲 (30-450 ガウス) で正のマイクロ波吸収信号が観測され、明らかなキュリー点ヒステリシスが見られました。信号強度は温度上昇とともに急激に低下し、250K 付近で相転移が発生しました。

これらの特徴は、超伝導体における渦形成および放出プロセスと一致しています。

サンプルを回転させると、マイクロ波の吸収は消え、「メモリ効果」が残ります。これは、渦状態がガラス状態に関連する遅いダイナミクスを持つことを示しています。これは、CSLA における 1 次元の強相関超伝導メカニズムの可能性を裏付けています。

CSLAサンプルに超伝導相がなければ、実験で観察された現象は説明できないため、研究者らはサンプル材料に超伝導相があると考えています。

マイスナー効果とゼロ抵抗なしで超伝導を決定する方法

LK-99の室温超伝導に注目し、論文の著者でもある習志熙教授も、知乎のネットユーザーにできるだけ早く反応し、比較的平易な言葉で実験の原因と結果、および実験の詳細の一部を説明した。

Xi教授は、LFMAが使用された理由を次のように説明しました。

低磁場マイクロ波吸収 (LFMA) または非共鳴マイクロ波吸収 (NRMA) は、初期の超伝導材料の早期スクリーニングの重要な手段でした。銅酸化物やアルカリ金属をドープした C60 などの多くの材料が、マイクロ波を使用して事前にスクリーニングされました。なぜなら、水を含めマイクロ波を吸収できる物質は数多くあるが、それらを励起するには静磁場が必要であり、そのような物質は非常に稀だからである。鉄であっても、普通の鉄ではなく、特殊処理された鉄合金ナノ粒子またはフィルムでなければなりません。

半導体が可視光を吸収するのと同じように、磁場の助けを借りてマイクロ波光子を吸収することが超伝導エネルギーギャップの重要な特性の 1 つであることは間違いありません。ただ、超伝導エネルギーギャップは非常に小さく、温度の熱変動によって簡単に閉じられるため、超伝導材料は半導体のように室温で普遍的に存在することはできません。しかし一方で、半導体は温度が下がると機能しなくなるため、低温超伝導体を特定するために元々使用されていた実験方法は、必ずしも室温では適用できない可能性があります。

この新しい材料の特別な点は、現在の技術では純粋な相を生成するのがまだ難しい、あるいは純粋な相が生成されても信号がないことです。そのため、PPMSを使用して測定すると、低磁場付近で小さな曲がりを伴った大きな常磁性信号が測定されます。どのように対処すればよいと思いますか?常磁性信号は減少しますか？減らないと説得力がない、減るとさらに説得力がない。したがって、マイクロ波と超伝導エネルギーギャップの測定を優先することが、現時点では最も信頼性の高い実装パスです。

しかし、現在ではマイクロ波を使用する人はほとんどいません。これはおそらく、サンプルチャンバーに入れてマウスを数回クリックするだけの PPMS とは異なり、マイクロ波には比較的高度な技術内容が含まれているためでしょう。サンプルごとにマイクロ波の共振周波数が異なるため、手動でしか調整できず、感触が非常に重要です。

具体的には、LFMA では、この強力な常磁性信号が通常の DC 磁気測定では他の信号を隠しますが、他の信号と明確に区​​別できるため、マイクロ波技術を利用する利点が実証されます。注目すべきは、0～2600ガウスの範囲では、石英管内の鉄によって生じる小さなねじれに加えて、調査する価値のある超広域吸収信号が存在することです。

研究者らはこの領域を3つの段階に分けた。30ガウス未満の小さなプラトー（マイスナー効果）、正の信号（30〜500ガウス、つまり渦ガラス）、負の信号（500〜2600ガウス）である。

ほとんどの超伝導体は、超伝導ギャップとそれに関連する超伝導渦が励起状態として存在するため、低磁場マイクロ波吸収 (LFMA) を持ちます。さらに重要なことは、より高い磁場ではより多くの渦電流が発生するため、超伝導体の微分 LFMA は磁場と正の相関関係にあるということです。

対照的に、軟磁性は低磁場でも活発であるが、スピンモーメントの歳差運動は抑制され、磁性材料の微分 LFMA は通常負になる。

研究者の測定では、LFMA の符号は常にラジカル信号を使用して修正できました。研究者らのケースでは、500ガウス未満の信号はすべて陽性であり、超伝導の存在を意味している。

その後、研究者らは磁場を前後に掃引し、掃引速度とは無関係に 450 ガウス未満で顕著なヒステリシス効果を観察しました。

この磁場を超えるとヒステリシスは完全になくなり、正の LFMA 信号と負の高磁場信号が一緒になって強磁性共鳴 (FMR) 信号を構成する可能性は排除されます。

研究者らは、負の値は正常状態での磁気抵抗効果を指していると推測している。最初の転換点と分岐点は、下限臨界磁場 Hc1 と Hc2 として実現できます。この場合、それぞれ 30 ガウスと 450 ガウスです。

完全なヒステリシス曲線を表示するには磁場の方向を反転させる必要がありますが、機器の制限により、研究者はサンプルを 180 度回転させ、信号と磁場の両方の符号を反転させることしかできませんでした (図 1(b) を参照)。

すると、方向が反転しても信号がほぼ連続していることを示す、良好なヒステリシス曲線が見つかりました。

ベースラインが減算されていないため、値は滑らかに表示されません。研究者がマイクロ波の吸収が渦電流の発生によって達成されることを知っていたなら、研究者らはリラックスする時間が足りず、このヒステリシスが生じることになります。注目すべきは、EPR 信号は AC 磁化率の虚数部の微分に過ぎず、このヒステリシス現象は実際には DC 磁化強度に関連する励起状態の特性曲線を示していることです。

そこで研究者らは信号を積分し、虚数のAC感受性x′′をプロットした。

ヒステリシス効果により、研究者は磁場の他の方向をさらに調査するようになりました。

次に研究者らは、ゼロ磁場下でサンプルを初期角度（便宜上 0 度と定義）から回転させ、10 度ごとに磁場を 0 から 5000 ガウスまでスキャンしました。

図1(c)に示すように、回転後、LFMAは急速に減少し、ほぼ消滅することがわかります。これは、マイクロ波の吸収が飽和したことを意味します。

その後、研究者がサンプルを最初の角度まで回転させ続けたり、磁場を9600ガウスまで増加させたりしても、信号は短期間で更新できませんでした。

この奇妙な磁場指向性メモリ効果は、強磁性が磁場によって打ち消されることはないことから、強磁性によるあらゆる寄与を完全に排除します。

相転移は250Kで起こる

LFMAの微分温度依存性を図2(a)に示す。ヒステリシス効果はすべての温度で確認でき、ピーク位置はほとんど変化しません。この弱い温度依存性は、温度が上昇するにつれて FMR がより鋭くなり、EPR ピークに近づくため、磁気応答もサポートしません。

比較のために、研究者らはさまざまな温度における関連する EPR スペクトルもプロットしましたが、一般的に温度が上昇すると大幅に減少します。

図2(b)は「直接冷却」と「回転冷却」の比較結果を示しています。前者は、初期磁化を行わずにサンプルを直接冷却しますが、後者は、最初にサンプルを磁場内で飽和吸収まで回転させ、その後 200 K まで冷却します。

飽和吸収後、LFMA は低温でも消失することがわかりました。温度によって負の信号が回復される一方、高磁場の負の信号は一部で回復され、これもまた、これらが異なるメカニズムに由来することを示しています。微分LFMAの最大強度と温度の関係を図2(c)に示す。

温度が上昇すると、最初は増加し、その後 190 K から急激に減少し、相転移が起こっていることを示します。転換点は 250 K 付近にあり、これが臨界温度 Tc と考えられます。

上記の実験結果は、CSLA の主な特徴である、正の LFMA、磁場スイープ中のヒステリシス効果、奇妙な長いメモリ効果を伴う回転時の飽和吸収、および相転移による弱い温度依存性を総合的に示しています。

したがって、最も可能性の高いメカニズムは超伝導渦であると考えられます。 DC 磁場によって補助されたマイクロ波電力の低磁場吸収は、小さな超伝導エネルギーギャップを示しており、関連する準安定励起状態は渦として現れます。

渦のクリープと緩和はガラスのようにゆっくりとしたダイナミクスを持ち、その結果、磁場のスイープと回転にメモリ効果が生じます。

サンプルは粉末相であるため、準 1 次元格子内の渦の方向はランダムであり、適切な方向の磁場に対してのみ反応します。磁気渦電流は磁場によって消滅させることはできないため、長時間持続する渦電流状態は超伝導から発生するとしか考えられません。

ネットユーザーの間で熱い議論

この論文が Hacker News に移行された後、すぐにサイト全体で一番人気の記事になりました。

Hacker News のネットユーザーは、「これが誤解された実験なのか、それとも新しい発見なのかはまだ分からない。いずれにせよ、これは科学研究で得られたデータを共有するプロセスだ。しかし、一般の人々が盲目的に大騒ぎする必要はない」と考えている。

多くの中国のネットユーザーも、理解はできないものの、著者らのLK-99に対する執着と熱意、そして自らの研究の方向性は賞賛に値すると述べた。