- 韓国のQuantum Energy Research Centreの研究チームによる常温・常圧超伝導体の主張を受けて、Argonne National Laboratoryなど複数の研究チームが再現実験に着手したが、物理学者たちは論文の詳細情報とデータ品質を理由に慎重な反応を示している
- 7月22日にarXivへ投稿された2本の査読前プレプリントは、銅をドープした鉛・酸素・リン系材料が常圧で少なくとも400Kまで抵抗なく電流を流すと主張している
- 根拠としては、ゼロ抵抗や磁場排除のような超伝導性を示唆するデータが挙げられているが、一部の専門家はデータの見せ方が拙く、物理的説明も不十分だとみている
- 懐疑論は、出発物質である鉛アパタイトが非伝導性の鉱物であること、銅置換で電気的性質が大きく変わりにくいこと、重い鉛原子が電子対形成を妨げうることに集中している
- 判断基準は再現できるかどうかであり、鉛アパタイト自体はよく知られた物質だが、4日がかりの多段階少量固相合成はソーシャルメディアの反応ほど単純ではない
常温・常圧超伝導体の主張と再現競争
- 韓国Quantum Energy Research CentreのSukbae Lee、Ji-Hoon Kimらは7月22日、arXivに関連する2本のプレプリントを投稿した
- 中核となる主張は、銅をドープした鉛・酸素・リン系材料が常圧で、水の沸点より高い少なくとも400Kまで超伝導性を示すというものだ
- 事実であれば、凝縮系物理学における大きな発見となり、浮上車両や非常に高効率な電力網といった技術的可能性にもつながる
- ただし論文は詳細が不足しており、多くの物理学者がデータとその提示方法に懐疑的だ
- Argonne National Laboratoryを含む複数の研究チームはすでにこの物質の作製と再現実験を試みている
超伝導体が重要な理由
- 超伝導体は、電気抵抗なしに電流を伝えられる物質である
- MRI装置の大型電磁石は超伝導線で作られており、抵抗のない電流の流れによって、発熱や莫大なエネルギー消費なしに強い磁場を生み出せる
- 無線通信用の周波数フィルターから粒子加速器まで、さまざまな分野で超伝導体が活用されている
- 一般的な結晶性固体では、電子は格子中で振動する原子に衝突するため、容易には移動できない
- 一部の物質では十分に低温になると、電子が緩く結び付いた電子対を形成し、低温での格子振動はその対を壊すほど強くないため、電子は妨げられずに移動する
従来の超伝導体と高温超伝導体の文脈
- 鉛、水銀、ニオブ、スズなどのさまざまな元素金属や合金は、絶対零度近くまで冷却すると超伝導体になる
- 1950年代、物理学者たちは従来型超伝導体では格子振動が電子対を作る接着剤の役割を果たすと説明した
- 1980年代には、銅と酸素の層を含む複合化合物が最大133Kで超伝導性を示すことが確認された
- その後、鉄とヒ素の層を含む化合物もほぼ同程度の温度で超伝導性を示しうることが発見された
- 最近では、水素、硫黄、炭素を含む化合物が高圧下で室温超伝導性を示したという論争を呼ぶ主張もあった
韓国の研究チームが示した根拠
- プレプリントは、ありふれた元素である鉛、酸素、リンからなる物質に銅を「seasoned」あるいはドープすると、究極の超伝導体になると主張している
- 主張どおりなら、試料を焼成して作製した後、実験台の上の常温・常圧環境に置いても抵抗なく電流を流せることになる
- 研究チームは、抵抗が0になるデータとともに、物質が磁場を押しのけるように見えるデータも提示した
- 磁場排除は、超伝導性を判断するうえで重要な兆候とみなされる
- これらのプレプリントは査読を経ておらず、Scienceのコメント要請に研究チームは応じなかった
物理学者たちが疑う理由
- Michael Normanは、論文の著者らが超伝導性についてあまり理解していないように見え、一部のデータ提示方法も怪しいとみている
- 第1の問題は、ドープ前の物質である鉛アパタイトが金属ではなく非伝導性の鉱物だという点だ
- 超伝導体を作る出発点として有望ではないという判断である
- 第2の問題は、鉛原子と銅原子の電子構造が似ているため、一部の鉛を銅に置換しても電気的性質が大きく変わりにくいという点だ
- Normanは「石から始めたなら、やはり石が出てくるはずだ」という趣旨で表現している
- 第3の問題は、鉛原子が非常に重いため格子振動を抑え、電子対形成をより難しくしうるという点だ
- Nadya Masonは、研究チームが適切なデータを取得し、製作技術も比較的明確に示している点は前向きに評価しつつも、データ自体はやや粗いと評している
提案されたメカニズムと残る疑問
- 論文は、物質の中でどのような物理が働いているのかについてしっかりした説明を提供していない
- 研究チームは、ドーピングによって自然に存在する長い鉛原子鎖がわずかに歪み、超伝導性がこの1次元チャネルに沿って生じうると推測している
- Normanは、1次元系は一般に超伝導性を生まないという点から、この主張は驚くべきものだとみている
- ドーピングによって生じる無秩序も、超伝導性をさらに抑制するはずだという点が別の疑問として残っている
- Masonは、LeeとKimが鎖の中に電荷の波のようなパターンがある可能性を提案しており、同様の電荷パターンは高温超伝導体でも観測されたことがあるとみている
再現実験が判定基準
- 核心的な問いは、他の研究チームが同じ観測結果を再現できるかどうかだ
- Normanは、鉛アパタイトはよく知られた物質なので、他の研究チームでも合成できるだろうとみている
- ただし合成過程は、ソーシャルメディアの一部の反応が示すほど簡単ではない
- Jennifer Fowlieは、「4日がかりの多段階少量固相合成」が妙に簡単な作業のように受け止められていると指摘している
- 物理学者たちはこの主張を非常に速いペースで検証する見込みだ
- Normanは「これが本物なら、1週間以内にわかるだろう」と述べている
1件のコメント
Hacker News の意見
このプロセス全体に科学出版社がまったく関わっていない点が本当にすばらしい。論文は arXiv に上がり、議論が起き、いま国立研究所が検証しているが、学術誌への投稿なしに進んでいる
学術誌はもともと、研究者同士が郵便で送り合っていた方法よりもうまく配布するために始まったものだ。arXiv は査読に適しているし、研究成果が実際に公開されていて、ペイウォールの向こうではなく同僚が検証できる。
さらに OpenReview を使えば議論を追跡できるのでよいだろうが、研究をオープンソースとして公開したことがある人なら、「モデルは学習できたがテストはどうするのか？」「CUDA のメモリ不足エラーはどう直すのか？」といった質問が殺到して、すぐに雑然とし得ることも分かるはずだ。arXiv とプレプリントも査読の場である。
実験とプロセスは難しく、非常に繊細だ。マクロなプロセスでナノスケールの物質を作ろうとしているようなもので、化学はボールピーンハンマーでマイクロチップを作るように感じることがある。「アセトン 3.8mL の中で 30 秒間に 70 回叩くと単結晶構造ができる。71 回でも 69 回でもいけない」といった具合だ。
化学者は手順を明確に説明しながらも、熟練した実験家が突き止めるのに 1〜2 年かかり得る、一見どうでもよさそうな重要ディテールを抜かすことに長けている。しかも今回の手順は明確に整理されているわけでもない。
最善のケースは、意欲的なアマチュアが材料合成に挑戦し、意図したものより不完全に機能する様子を見守ることだ。その後 5 週、10 週、150 週にわたって同じことを繰り返し、問題が自然によるものなのか技術によるものなのかを見極める粘り強さと徹底ぶりに賭けてみる価値はある。
今回が同じ失敗だと言いたいわけではないが、34 年前は arXiv ではなく記者会見と草稿の流通で進んだ。
非常に懐疑的だが、偶然のように見える現象を扱うときは、再現そのものよりも元の主張の検証のほうが重要だ。
独立した研究所の装置と人員を現地に送るか、物質サンプルを独立した研究所へ送って検証させるべきだ。奇跡が本物なら、X 線分光・回折のような材料分析や各種検査を実施できるはずだ。
もしかすると、不注意で生じた特定の汚染がすべての条件を満たし、超伝導体のように見せてしまった事故かもしれず、その場合は他の人が容易に再現できない可能性がある。
Jekyll の不随意な変身は次第に頻繁になり、元に戻すにはより多くの血清が必要になったが、やがて血清に使っていた塩が不足し、新しい在庫で作ったバッチは機能しなかった。Jekyll は、元の材料には効果をもたらす不純物が含まれていたのだろうと推測した。
https://en.wikipedia.org/wiki/Jekyl_and_Hyde#Plot
作るのはかなり簡単だと感じている人が多いようだが、いずれにせよサンプルがあれば、主張されている性質があるか確認し、何でできているか分析できる。
ただ、固体物理の研究室で実際に何が可能なのかを完全に知っているわけではないが、適切な研究室と装置があれば、この物質を作ることがものすごく困難だとは見えない。近いうちにどちらなのか分かることを願う。
二度目に作れないなら問題は片付く。すべてをやり直すには時間と金が多くかかるだろうが、地球全体が必要なリソースを提供する準備ができているように見える。
記事で関連する部分は、「Argonne や他の場所の研究者たちがすでに実験の再現を試みており、ここの人たちは真剣に受け止め、この物質を育成しようとしている」という箇所だけだ。
投稿されたタイトルはかなり編集されたタイトルであり、Argonne で組織的な取り組みがあるという意味まではまったくない。
むしろ「真剣に受け止めている」という表現のほうが強く、投稿タイトルはやや控えめに売り込んでいる側に近い。
記事の核心的な部分をタイトルにしており、HN ではよくあるやり方だ。副題は、すでに分かっている「懐疑論が多い」という内容にすぎない。少なくとも私を含む一部の人にとっては、正規の米国政府研究所が研究中だという点が新しく、それがニュース価値だ。
Norman が鉛原子は重すぎると不満を述べた部分は、知られている他の超伝導体の組成とはあまり合っていないように見える。私の知る限り、最も広く使われている銅酸化物超伝導体は BSCCO で、世界初の超伝導送電線にも使われていた
https://en.wikipedia.org/wiki/Holbrook_Superconductor_Projec...
「鉛原子と銅原子は電子構造が似ているため、鉛原子の一部を銅原子に置換しても電気的性質に大きな影響を与えないはずだ」という主張も奇妙だ。主張されている鉛(II)イオンは電子数が偶数で、銅(II)は奇数だ。銅(I)があるなら電荷そのものが変わる。物理学者から聞くには非常に混乱した論理だ
また「ドープされていない鉛アパタイトは金属ではなく非導電性の鉱物だ」というくだりも、銅酸化物や鉄系超伝導体が金属ではないという点と合わない。一部は通常条件で モット絶縁体 でもある
LK-99 に懐疑的である理由はあるが、この論理はその理由ではない
他の科学者たちの間では、LK-99 は超伝導体ではなく、強い反磁性体にすぎないと見る流れがあるようだ
物理学者ではない立場からすると、それ自体にも有用性があるのか気になる。Wikipedia をざっと見ると強い反磁性物質はそれほど多くなさそうで、新物質の発見なら、世界を揺るがすほどではなくても大きな発見になり得るのではないかと思う
実用可能な規模の超伝導性がなくても反磁性を示すことができ、さらに超伝導領域のサイズを大きくするように物質を変える道が開けるかもしれない。もちろん純粋な推測であり、より可能性が高いのは「単に」他の物質と同じ方式の反磁性、つまりサンプルを構成する粒子の電子がすべて対になっている構造である可能性だ
元の研究に対する批判はあるが、再現を容易にするためにかなり誠実に資料を出したように見える
University of Illinois Urbana-Champaign の凝縮系物理学者 Nadya Mason は、著者らが適切なデータを提示し、作製手法を明確にした点を評価しつつも、データはやや粗雑に見えると警告している
現在の状況について、かなり包括的なスレッドを書いた。少し長くて要約しにくいが、ここにある
https://twitter.com/sanxiyn/status/1685094029116297216
リンクされている論文への反論、とくに CMTC が F 評価を付けたことは致命的だ。William & Mary の Kim 教授一人は実際に正規の研究者で、ごく小さな役割を果たしたが、だんだん「Q-Centre」の変わり者数人が出した成果物のように見えてくる
作業の大半は Kim が関与する前に行われており、彼の名前はこれまで出ている3本の論文のうち1本にしかない。この全体における唯一の正当性の糸口だが、非常に細い糸口だ。残りの5人はただ奇妙に見える
EEVblog がこの件について出した動画はかなり笑える。見ていないならここにある: https://www.youtube.com/watch?v=QHPFphlzwdQ
あのデモを見ると、本当に奇跡の物質を見せるには間抜けな方法に見え、信頼感が湧かない
主張どおりに作ったという 超伝導体サンプル を分析しようとしない理由が分からない。皆、製法に従って再現する話ばかりしているが、証拠は完成した物質の中にあるのではないか
私にとって重要なのは、この20年でこの分野にある程度の進展があったため、十分に室温に近い超伝導性の主張が、今では即座に一蹴されなくなっているという点だ
私が年を取って白髪になる頃には、すべてが 磁気浮上 で動いているかもしれない