超伝導体ニュース：主張されている内容と証拠の強さはどの程度か
(science.org)- 2本のrXivプレプリントが LK-99 を「常温・常圧超伝導体」だと主張しており、臨界温度は水の沸点より高い 127°C と示されている
- 合成法は lanarkite と Cu3P を1:1で混ぜ、真空石英管内で925°Cに加熱する方式で、複数の固体材料研究室が迅速に再現を試みられる
- 根拠として、X線回折、EPR、マイスナー効果、臨界温度での抵抗の急変、温度・磁場ごとのI-Vグラフが示されており、再現性の有無が判断の核心となる
- LK-99は現在 多結晶物質 であり、高温の超伝導状態で大電流を運べない可能性があるため、産業応用の可能性はまだ不確実
- 結果が正しければ、量子井戸ベースの物質探索が加速し、電力・磁石・電気モーターなどの分野に大きな影響を与え得るが、検証前の段階では失敗の可能性も残っている
LK-99の常温・常圧超伝導体という主張
- 2本のrXivプレプリントが公開され、そのうち1本は「The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor」というタイトルで 常温・常圧超伝導体 を主張している
- 同じチームの新しい原稿も韓国の学術誌に掲載されており、より多くのデータが含まれているように見える
- 著者らは内部の意見対立とは別に、自分たちが主張した 常温超伝導体 を実際に得たという立場を維持している
- 複数の研究室が再現実験を進めており、「3人著者のプレプリント」は撤回される可能性があり、「6人著者のプレプリント」はジャーナル査読用の投稿原稿として修正中である
物質構造と合成手順
- LK-99は鉛ベースの銅ドープ物質で、組成は Pb10-xCux(PO4)6O と示されている
- 合成は、酸化鉛と硫酸鉛でよく知られる鉱物である lanarkite、Pb2(SO4)Oを準備する段階から始まる
- 別途、元素銅とリンから copper phosphide、Cu3Pを新たに準備する
- 2つの物質を1:1の比率ですりつぶして混合した後、真空排気した石英管に封入し、925°C に加熱して暗色の多結晶物質であるLK-99を作る
- 構造は、よく知られたリン酸塩鉱物である apatite と非常によく似ているが、格子内の特定の鉛原子が銅に置換されることで、結晶学的な単位格子がわずかに小さくなる
提案されている超伝導メカニズムと実験的根拠
- 著者らは、変形し応力のかかった構造が、特定の鉛原子とリン酸基の酸素の間に多数の 量子井戸 を作り、実質的に2次元電子ガスを形成すると見ている
- 提案されているメカニズムは、3.7〜6.5Å離れた量子井戸の間を電子がトンネルすることで超伝導性が現れる、という内容である
- この仮説を裏付けるため、X線回折、EPRなど複数のデータが含まれている
- 超伝導体であれば確認されるべき現象も併せて示されている
- マイスナー効果：磁場の排除
- 臨界温度での急激な抵抗変化
- さまざまな温度と磁場強度における電流-電圧、すなわちI-Vグラフ
- これらのデータが再現されれば、LK-99の 超伝導性 は疑いにくくなる
迅速に決着がつき得る理由
- LK-99の合成手順は比較的直線的で、世界中の固体材料研究室が迅速に再現を試みられる
- 手順そのものが比較的追試しやすいため、最初のサンプルが石英容器からまもなく出てくる可能性がある水準である
- これまでの類似した超伝導体の主張は精査で崩れており、Rochesterの超伝導研究グループの論文もデータ改ざん疑惑により追加撤回を控えている
- 既存の事例では作製と評価に非常に特殊な装置が必要だったが、今回の報告は速やかに崩れるか、速やかに立証される可能性が高い形である
- 1987年の超伝導体発見の事例のように、短期間で検証局面に入る可能性がある
産業上の限界と潜在的な波及効果
- LK-99自体が大規模な産業素材になるかは不確実である
- 特性データ上、LK-99は高温の超伝導状態で多くの電流を運べず、これは多くの応用で中核的な特性である
- 他の超伝導体も一般に、温度が臨界温度に近づくほど電流密度が低下する傾向がある
- 合成されたLK-99は 多結晶物質 であり、異なる結晶領域間の接合が電流密度に大きく影響し得る
- 量子井戸超伝導体が実際にこのような方式で作動するなら、より精密な合成と製造によって電流密度を高められるかに大規模な研究が集中し得る
- 結果が再現されれば、「このような物質が存在し得る」という事実だけでも大きな転換点になる
- 高電流密度の堅牢な常温超伝導体が可能になれば、電力の生産と送電、アンテナ、電力貯蔵、磁石応用、核融合発電所、電気モーターなど、電気で動作するほぼすべての領域が影響を受け得る
- 現在のLK-99はそのような最終的な物質ではない、あるいはまだそうではない可能性があり、何でもない可能性も残っている
1件のコメント
Hacker News の意見
元論文を非常に有用に要約してくれている
著者らは、変形／応力構造が特定の鉛原子と隣接するリン酸基の酸素との間に多数の量子井戸を作り、事実上2次元電子ガスを形成すると見ている
3.7〜6.5 Å 離れた量子井戸間の電子トンネリングが超伝導メカニズムだと提案している
この提案を評価できるほど固体物理の専門家ではないが、実験で検証可能な詳細なメカニズムを提示し、X線回折、EPR などのデータもかなり添えている点は良い
マイスナー効果、臨界温度での急激な抵抗変化、温度／磁場ごとの電流–電圧曲線など、超伝導体が示すべき挙動も提示している
このデータが再現されるなら、この物質の超伝導性は疑いにくいように見える
なぜ超伝導なのかを証明するより、超伝導であるという事実を証明するほうがはるかに簡単で、より重要だ
ただし、常温超伝導についての作動理論を打ち立てることもノーベル賞級である可能性が高いので、理論物理学者たちも今ごろ黒板へ駆け寄っているだろう
固体物理の仕事をある程度やった立場からすると、電子対形成メカニズムが説明に含まれるはずだと期待する
単純な量子井戸間トンネリングは、80〜90年代の「メタマテリアル」の頃からよくある題材だった
とはいえ測定曲線は嘘をつかないし、この分野を追い続けていたわけでもないので、オープンな気持ちで聞きたい。本当に超伝導革命が来てほしい
さらに良いことに、これは途方もない主張なので、科学において認識論がどう機能するのか、特に再現が何を意味するのかを示す事例になるだろう
いつか巨大な冷却なしで、半導体チップの電力／クロック分配層に使える程度なのか知りたい
New Scientist が著者らと複数の専門家から回答を得ている: https://www.newscientist.com/article/2384782-room-temperatur...
Kim は arXiv 論文のうち1本にだけ共著者として入っており、別の論文は韓国の Quantum Energy Research Centre の同僚らが書いたもので、その一部は2022年8月に LK-99 の特許も出願していた
2本の論文は似た測定値を示しているが、Kim は2本目の論文には「多くの欠陥」があり、自分の許可なく arXiv に上げられたと述べている
New Scientist が接触した他の専門家らも結果とデータに懐疑的で、一部の結果は実験手順の誤りや LK-99 サンプルの欠陥でも説明できる可能性があると懸念している
事実なら、このような発見を2年以上寝かせていたことに驚く
更新: LK-99 という名前も、発見者である Lee 博士と Kim 博士、そして発見年である1999年に由来するようなので、さらに長い歴史があるのかもしれない: https://kr.linkedin.com/in/ji-hoon-kim-03508b80
超伝導体専門の物理学者ではないが、90年代からこの分野をかなり近くで追ってきた
おそらく次の1〜2週間で明らかになるだろう。これほど簡単に再現できる実験としては stakes があまりに大きく、それ以上時間がかかる理由はなさそうだ
Redditのある研究者は、これは超伝導性ではなく測定アーティファクトである可能性が高いと見ている
だましたわけではなく、自分たちが何を見ているのか理解していないようだという
測定項目と方法を見ると、超伝導体の特性評価における標準的な手順をよく理解しておらず、分析／議論を見ると背景理論に関する科学的知識も不足しているように見える、という評価
2本の論文は悪意というより、ひどい科学に近く、たとえ主張が事実だとしても依然として悪い科学だ、という批判
似たような主張は珍しくなく、数年前に何の成果もなく消えた論文も例として挙げている: https://doi.org/10.48550/arXiv.1807.08572
https://www.reddit.com/r/worldnews/comments/159g2k4/comment/...
グラファイトでも同じことができるという先の発言は、私には事実ではないように思える
グラファイトは磁場を押しのけることはできるが滑り落ちるので、反磁性実験では複数の磁石を使ってその場に保持する
動画ではどこかへ滑っているようには見えないので、私の考えでは動画が反磁性を示しているわけではない
https://sciencecast.org/casts/suc384jly50n
追記: 見直すと片方の角で固定されていて、その角が常に磁石の外側を向いているようなので、単なる反磁性かもしれないと思えてきた。熱分解炭素を持っている人が試してみてくれるとよい
追記2: YouTubeの反磁性動画の99%は複数の磁石を使っており、単一極の磁石で反磁性を示す動画は、うまく動かないケースだけだった: https://youtu.be/D-tW8_SRW3g
単純な熱分解炭素以上のものだと思う
1本目の論文ではマイクロボルトのスケールでゼロ抵抗を測定したと主張しているが、抵抗-温度曲線全体は慎重に見せていない
2本目の論文でより完全な曲線を見ると、Tc以下でも大きな変化が見えるが、超伝導のゼロ抵抗状態で抵抗がどうして大きく変化し得るのか疑問
論文1の図1cでもオーミック状態に大きなノイズが見え、0磁場では温度が下がるほど抵抗が増える絶縁体のように見えるが、磁場をかけると金属のように見える。測定で何かがおかしい
400Kを超伝導温度としているのも奇妙。MPMSシステムが測定できる上限とぴったり一致しており、完全に恣意的には見えない
当然、オーブン付属装置でもっと高い温度まで測定し、他の研究室の共同研究者と結果を検証すべき
ZFC-FC測定に10ガウスは非常に小さい磁場で、Tcが400K以上なら相転移について何かを示すには、より高温のデータが必要
状態密度を測定したという主張もまったく正当化されておらず、引用すらない。どうやってそれを信じられるのか分からない
全体としてデータも論文自体の提示の仕方も雑。本当に画期的発見をしたのなら、もっと気を配ったのではないかと思う
非専門家の視点でまとめると、もしこれが超伝導体で測定が正確なら、図5はサンプルが超伝導体になるには完全に純粋でなければならないという意味になる
しかし論文の残りの部分は、サンプルに不純物が必要だという方向を示している
したがって、超伝導体ではないか、測定が間違っているか、おそらくその両方である可能性がかなり高い
臨界温度まできちんと上げて完全なマイスナー効果を示したこともないので、測定が間違っているなら、いずれにせよ超伝導性の証拠ではなく反磁性の証拠にとどまると思う
https://www.reddit.com/r/worldnews/comments/159g2k4/comment/...
図1bは不明な温度での抵抗率を示している。電流を流して電位降下がないと測定しているが、まず温度を明らかにし、次に温度の関数として測定すべき
臨界温度で抵抗が0に落ちることが肝心なのに、彼らが示したのは、電流を入れる接点がおそらく切れていたということだけ
私の基準では基本検証を通過していない。Redditでも、なぜ筋が通らないと見るのか説明した
これが成り立つ唯一の方法は、全部を捏造していた場合だが、そうなるとあらゆる可能性を開いておく必要がある
他の部分はよく分からないので言いにくいが、1bは少し知識があるだけでも筋が通らないレベルなので、残りの真実性も非常に疑わしい
彼が「強相関系のMITメカニズム、銅酸化物超伝導体の高温Tcメカニズム、MITデバイス、量子トランジスタを研究している」と述べている点が、どの程度意味を持つのかは分からない
https://www.quora.com/profile/Hyun-Tak-Kim?share=1
Twitterで見た興味深い点として、公開された2本の論文はいずれも最初の2人の著者が「Lee」と「JH Kim」で、これらがLK-99という物質名と結び付いている
1本目の論文はYW Kwonが自分を第3著者に入れて公開し、2本目の論文は数時間後にHyun-Tak Kimが自分を第3著者に入れて公開した
ノーベル賞には最大3人までしか名前を載せられないことを考えると、全員がこの結果をノーベル賞級と見ている可能性があり、これらの論文はドラマ／出版競争のせいで十分に完成度が高く、厳密ではなかったのかもしれない
YW Kwonが名前を載せようとして許可なく公開し、そのせいでHyun-Takが数時間後に自分のバージョンを急いで上げた可能性がある
10年ほど前に、光より速いニュートリノを測定したという論文を思い出す
当時の著者たちは「おそらく間違っているが、どこでミスをしたのか分からない。もし自分たちが正しくて相対性理論を覆しているのだとしたら？」というように明確に述べていた
結局それは測定ミスだった [1]
今回もそうかもしれないが、主著者たちが論文を2つのバージョンで公開し、その一方にはノーベル賞が最大3人にしか授与されないという理由らしく3人の名前だけを入れている点は、あの時より謙虚さや脆弱さが薄いように見える
それでも彼らが正しいことを願っている
[1] https://www.nature.com/articles/nature.2012.10099
「今度こそ本物の標準温度・圧力超伝導体だ！」という長い主張の系譜には似ているが、現在の物理モデルと衝突する発見とは違う
すでに多く推薦され議論された「The first room-temperature ambient-pressure superconductor?」のスレッドは、まだ2ページ目にようやく押し出された状態: https://news.ycombinator.com/item?id=36864624
それでもこの話題は例外的に興味深く進行中であり、Loweの解説はHNでは通常歓迎され反応も良いので、今回はある程度の重複は正当化されるように見える
マイスナー効果を示すこの動画は、最も簡単に再現できそうだ: https://sciencecast.org/casts/suc384jly50n
サンプルを別の研究室に送って、大きな磁石の上に載せてみればよい
私の知る限り、こうした現象の説明は常温超伝導性か強い反磁性だけで、後者であってもかなり面白いだろう
https://scitoys.com/scitoys/scitoys/magnets/pyrolytic_graphi...
https://youtu.be/Wk3seHNmNs8
この物質をほぼ容易に合成できると予想されるなら、元の研究グループがarXivに投稿する前に、自分たちのサンプルの一つを外部の独立機関に検証してもらわなかった理由が気になる
今公開しなければならない内部事情や圧力があったのだろうか？
特許出願後の2年間は秘密裏に進めていたが、流出リスクが大きくなって急いで公開したのか、それとも外部の独立確認をすでに受けているが、まもなく誰もが再現できると確信していて共有する必要はないと見たのか分からない
そうでなければ、検証したい誰にでも送るサンプル100個を事前に用意しようとしたはずだと思う
彼らが選んだ独立した外部の人物はHyun-Tak Kimのように見える
これで誰もが試せるように開かれたので、本物ならすぐ分かるだろう
流出を心配していたなら、ニュースの主導権を自分たちが握るという点でも賢い動きだ
まだあまり議論されていない奇妙な点の一つは、報告されたLK-99の熱容量が250K以上で減少していることだ。かなり異例だが、これについて解説があったのか気になる
「この分野で働いているが、私たちはこれを一言も信じていない。図4(b)のデータセットも見る価値がある。高温で熱容量が再び減少するのは非常に異例だ。低温ではあり得るが、高温ではない。個人的には、著者たちは絶縁体を測定していて電流が流れず、したがって電圧も発生しなかったのだと思う（4端子測定）。そうすると超伝導体のように見えることがある。しかし電流、つまり印加電圧を上げると絶縁破壊が起きて電流が流れ始める可能性がある。そうすれば急激な増加は説明できる」
いちばん奇妙なのは、この物質は数年前に開発されたようで、浮いている破片の動画は3か月前にアップされており、追加サンプルの作製も簡単そうなのに、論文は1週間もかけずに急いで作ったかのように読める点だ
英語が母語ではない可能性はあるが、図の見せ方もよくない
その期間に質の高い実験をしたようにも見えない。世界を変える魔法のような物質を発見したのなら、できるだけ早く良い実験を行い、良い論文を出すために、これよりはるかに力を入れたはずだと思う
低品質の動画と雑なグラフは、Victor Ninov の詐欺を思い起こさせる
自分をできるだけもっともらしく見せる動機がより大きいのは、詐欺師だろうか、それとも世界を揺るがす技術の特許を持つ未来のノーベル賞受賞者だろうか？
前者は詐欺を成功させるには読者に信じてもらう必要があるが、後者はまもなく真実が自明になるので、その必要性は低い
偽データであれ本物のデータであれ、隠すことが目的かもしれない
もし虚偽なら、その裏話が気になる。故意でなかったとしても関係者の経歴には深刻な打撃になるだろうし、故意だったなら「別の分野で仕事を探す」レベルになると思う
故意だったなら、なぜ見つからないと思えたのだろうか？ 故意でなかったなら、これほど驚くべき主張をしながら、何が起きているのかに絶対的な確信を持たずに、どうして発表できたのだろうか？
「出版競争」だったのなら、なぜ論文でその点を大きく強調し、手がかりや留保を大量に入れなかったのだろう？ しかもこのコメントを見ると、少なくともかなり長い間寝かせていたように聞こえる
どの選択肢ももっともらしくないが、結局そのうちの1つが事実であるほかない。皆のためにも、書かれている通りであってほしい