LK-99、室温・常圧での磁気浮上成功を報告
(arxiv.org)- 変形した鉛リン灰石 LK-99結晶で、室温・常圧の磁気浮上サンプルを得たという追試結果が報告され、既存の Sukbae Lee サンプルよりも大きな浮上角が観察されたとしている
- 合成は Lanarkite と copper phosphide 前駆体を経る 固相法 ベースで、10^-2 Pa 条件下で Pb10-xCux(PO4)6O 組成の目標物質を製造した
- 磁化-温度測定では、バルクサンプルは ZFC/FC で約 326 K・299 K の転移を、磁石反発で選別したミクロン結晶は約 340 K の転移を示した
- ミクロン結晶は強磁石の接近時に基板に対して垂直に立つ 浮上現象 を示し、別個の引力テストでは磁石に引かれず、強磁性効果を排除したと述べている
- 結果は結晶性および Cuドーピング が重要だという解釈につながるが、室温での電気的テストなど追加検証が残っている
LK-99の合成と検証目標
- Sukbae Lee らは、変形した鉛リン灰石結晶 LK-99 が室温・常圧で超伝導性を示す可能性があり、超伝導転移温度 Tc が 400 K より高く、Meissner 浮上現象が現れると主張していた
- 今回の研究チームは、LK-99 結晶を合成し、室温で磁気浮上可能なサンプルを得たと報告している
- 観察された浮上角は Sukbae Lee サンプルより大きいとしている
合成方法とサンプル特性
- LK-99 サンプルは Pb10-xCux(PO4)6O, 0.9 < x < 1.1 の組成で成長させた
- 合成には Sukbae Lee らが報告した方式と類似した 固相法 が用いられた
- Lanarkite、すなわち Pb2(SO4)O 前駆体を合成した
- copper phosphide、すなわち Cu3P 結晶を合成した
- その後、目標生成物 LK-99 を合成した
- すべての反応は 10^-2 Pa 条件で行われた
- 結晶構造は、4つの Pb(2) 原子のうち1つが Cu 原子で置換された形として提示されている
磁化-温度測定結果
- 物性測定システム PPMS DynaCool で LK-99 サンプルの磁化-温度曲線を測定した
- 測定は 10 Oe の磁場を加えた状態で ZFC と FC モードで行われた
- サンプル1は巨視的な灰黒色のバルクサンプルである
- ZFC 曲線で約 326 K の反磁性転移が現れた
- FC 曲線では約 299 K の反磁性転移が観察された
- この結果は Sukbae Lee が以前に報告した結果と類似すると評価されている
- サンプル2は磁石反発で選別した ミクロン結晶 である
- 三角形状で、一辺の長さは約 120 μm、厚さは約 20 μm である
- 反磁性転移温度は約 340 K で、巨視的サンプルよりやや高い
- 研究チームは、サンプル2がより高い純度と結晶性、より良好な Cu ドーピングを持つと解釈している
室温・常圧での磁気浮上と強磁性の排除
- サンプル2は室温・常圧で 磁気浮上現象 を示した
- 強磁石が近づくと、サンプルが上昇して基板に対して完全に垂直に立つ
- 磁石が離れると、サンプルは再び基板上に落下する
- この浮上角は Sukbae Lee サンプルより大きいとしている
- 別個の引力テストで、サンプル2は強磁石に引かれる反応を示さなかった
- 研究チームはこれを根拠にサンプル2の 強磁性効果 を排除している
- 補助動画:
- Supplementary video 1: サンプル2の Meissner 効果
- Supplementary video 2: サンプル2の強磁性排除テスト
解釈と残る検証
- サンプル間の反磁性の差は、リン酸塩酸化物における 銅-酸素誘起の電子バンド構造変化 が潜在的な超伝導メカニズムと関連している可能性を示唆すると解釈している
- 研究チームは、複数の理論研究がこの方向性を支持していると結び付けている
- 結論として、LK-99 物質で一貫した反磁性転移と大きな浮上角を室温・常圧で得たとまとめている
- 結晶性および適切な Cuドーピング が核心条件として強調されている
- 室温での 電気的テスト のような、より一貫した検証がリン酸塩酸化物の潜在力を確認するために必要である
- データは合理的な要請があれば責任著者から受け取ることができ、競合する利害関係はないと述べている
1件のコメント
Hacker News の意見
今回の論文は、発見を早く知らせようとして急いで作られたものだというのは理解できるが、実験過程の核心的な情報があまりにも多く抜けていてもどかしい。
「すべての反応は 10^-2 Pa で実施」とだけ書かれていても不十分。絶対圧を指しているのは分かるが、真空オーブンなのか、密封した石英バイアルなのか、アルゴンパージなのか空気なのか、といった情報が必要。
温度プロファイルも昇温時間と保持時間は示されているが、冷却速度と終了時間がない。すぐ取り出して空冷したのか、室温まで真空を維持したのかも再現性には重要。
こうした詳細は論文に入れるのにほとんど時間がかからないのに抜けていて、こういう姿勢が科学における再現を難しくしていると思う。
それでも完全性のために「真空」と一語だけ付け加えていれば、もっとよかっただろう。昔の水銀ゲージの 0〜30 の目盛りも紛らわしかった記憶がある。
Arxiv のような公開出版を超えて、協業スペースのある本当のオープンサイエンスへ発展することを期待したい。
この一週間は、Bardeen と Brattain によるトランジスタ発明の話を思い出させる。
最初はかろうじて動く程度で、机に触れただけでも壊れるほどであり、功績を主張した第三の人物もいた。懐疑的に見たい気持ちもあるが、再現が難しいというのはむしろかなり普通のことに感じる。他の人たちが今になって動作に成功したという点が興味深い。
なぜこの物質が超伝導体であることを立証するために、浮上や反磁性のような回り道の方法を使うのか気になる。
単に電流が抵抗なしに流れるかを測定すればよいのではないか、何か見落としている気がする。
反磁性を示すことは、超伝導効果を示す比較的誤りの少ない方法の一つだと理解している。
完璧な物質を大量生産するまでは、抵抗率測定が大きな意味を持つのは難しい。
そのため、磁場中ですべての超伝導体が示す奇妙な現象、例えば磁気浮上を見るほうが簡単。
数日前に動画が上がっていたものと同じ事例に見える: https://news.ycombinator.com/item?id=36953396
当時は、これが超伝導なのか単なる反磁性なのかという質問が多かったが、新しい論文がその問いに答えているのか気になる。
磁場があると転移温度が下がる点も大きい。論文が捏造でないなら、単なる反磁性以上のことが起きているという最も強い肯定的証拠に見え、初めて可能性を 50% 以上と見るようになった。
第二に、超伝導体だけが正味の磁場が 0 になり、「安定した」浮上を示せる。動画では磁石を近づけて裏返しても、破片がおおむねその場に留まっている。
一般的な反磁性体は外部磁場がかかった方向に従うため、横に動く可能性が高く、そのため通常は Halbach 配列で力を相殺してその場での浮上を作る。
約 320K で何らかの形の反磁性転移があるという強い証拠を示している。超伝導によるものかどうかとは別に、この物質に興味深い磁気的性質がある可能性は非常に高そうだ。
Vardaチームが反磁性を示す高解像度動画を投稿していた: https://twitter.com/andrewmccalip/status/1687405505604734978
重力は電磁力よりはるかに弱いのに、試料にかかる重力とほぼ釣り合うように装置を調整しているのだろうか？ もう少し押し上げて容器のふたまで吹き飛ばさない理由が気になる
まだ不要な重さを取り除くために試料を切る「岩石手術」はしないと思う。一般に熱分解グラファイト板で使う4個の磁石のチェッカーボード配置は、試料が平らではないのでうまくいかないかもしれない
磁石を裏返してみるのも有用だし、特定の温度で落ちることを示すために加熱するのもよさそう。この場合は100°C未満で足りると思う。いずれにせよ、デモとしての見栄えと良い動画品質は重要
https://en.wikipedia.org/wiki/LK-99#Replication_attempts
このWikipedia記事は、これまでの再現試験をこの論文まで含めてよく整理している
検証されつつあるように見えるほど、何年ぶりかで本当に鳥肌が立つ。良い意味で
これがもたらす変化は、ファラデー、ボルタ、そして17〜18世紀の科学者たちが電気の原理を解明し始めた時に匹敵するかもしれない。彼らもその後の1世紀で生活のあらゆる面がどれほど変わるかは知らなかった
粒子物理学をやっていたが、複雑なシステムの多くは超伝導磁石を十分に冷たく保つための装置だった。常温で可能なら、その冷却システム全体が不要になる
核融合炉も超伝導磁石に依存しているので、将来の核融合炉に大きな影響を与え得る。JETのように過熱する前の数秒だけ磁石を動かす、といった制約も減る
常温超伝導という概念は理論的には理解しているが、実際にこれが本当なら世界がどう変わるのか、あまり実感が湧かない
これが可能になれば、毎年の健康診断でMRIを撮れる。多くの疾患とがんの95%を診断でき、毎年以前のスキャンと自動比較して形状変化があれば生検できる
医療科学も革命的に変わる。今は良性腫瘍が人々の体内にどう存在しているのかのデータが少なすぎて、しこりが問題かどうかを見るには他の症状があるかを尋ねる程度だ。SQUIDのような新しい医療機器も可能になる
地下イメージングMRIも、考古学、古生物学、地質学、資源探査に飛躍をもたらし得る。砂漠を車で走りながら化石、断層、鉱物のシグナルを探すこともできる
ローンチループを使えば宇宙旅行の費用も事実上ほぼゼロになり、長距離移動も安く汚染が少なくなる。電気だけで低軌道に到達したり、飛行機を音速の数倍まで加速したりできる
電力網の蓄電、ピーク発電所、負荷追従はほぼ時代遅れになるかもしれない。超伝導の架空送電線がすべての国をつなぎ、米国の核分裂発電で中国の工場を動かしたり、オーストラリアの太陽光でカナダの家を暖めたりできる。HVDC接続も時代遅れになり、最終的には交流電力から脱却するかもしれない
CPUは10〜50%効率が上がり、GPUはそれ以上かもしれない。過負荷の電線はもはや導通しなくなり、火災、とくに住宅火災も減る可能性がある
本当に再現可能で産業的にも実現できるなら、1960年代のような変化の速度が再び訪れるかもしれないと感じる
ただし核融合まで含めても、CO2排出削減、生活様式の変化、消費の最小化、すでに確定している気候影響への対応は依然として必要だ
グラフェンベースの集積回路や光コンピューティングの進展も気になる。2030年までに超伝導体ベースの新しいLisp Machineを見てみたい。「オープンソース」の鉛の扱いはあまり良くないかもしれないが、未来は発明するものだというAlan Kay的な姿勢には合っている
常温超伝導体が可能にするすごいおもちゃを想像すればいい
そして許認可の問題で建てられない高圧送電線も、実際に建てればエネルギー損失は0になるだろうが、おそらく建てないだろう
第一に、すでに超伝導体を使っている装置は冷却しなくてよくなり、はるかに安く製造・運用できる。MRI、特定のセンサー、核融合研究用の高出力磁石、大型発電機とモーターがこれに含まれる
第二に、超伝導体によって改善は得られるが、現時点では経済的・実用的に成り立たない装置だ。何が成功するかは推測に近いが、コンピューティングチップ、追加センサー、永久浮上する彫刻のようなアート作品、小型モーターと発電機などが考えられる
ゼロ抵抗や磁場の排除で恩恵を受ける、まだ想像していないカテゴリーも多くあるはずだ
この話でやや皮肉なのは、無断で公開した元社員が、これを世に出した功績を認められる可能性があるという点です。
研究チームは長年取り組んできましたが、今や世界中が研究し、別の方法や材料の組み合わせを探っているはずです。元の設計を改良し、特許を回避しようとする試みもあるかもしれません。
その元社員が明らかにしていなければ、あとどれほど長く隠されていたか分からず、人類の役に立つよう世に出すべきだという動機があった可能性もあります。
この分野では最近、センセーショナルな詐欺事件もあったため、ジャーナルは非常に懐疑的だったはずです。説得力のある実験や独立研究所に試料を送る作業を含む論文を準備していたところ、事実上、手元にあるものを急いで公開せざるを得なくなり、そのため主張がより弱く見えたのかもしれません。
10年前からはるかに広い規模で試験と再現を始めることもできたはずなのに、研究をこれほどゆっくり広めることで何の利益があったのか分かりません。
Danijel Djurekは1980年代後半に超伝導セラミック混合物を発見したと主張しましたが、構造と組成を確定できず、クロアチアがユーゴスラビアから分離した後、戦争で研究が中断されたとされています。
抜粋元: http://www.rexresearch.com/djurek/djurek.htm
これは商業的な理由、とりわけ特許のために公開をめぐって対立があった可能性を示唆します。他者が再現する前に、販売できる製品を作ろうとしていたのかもしれません。
したがって、無断で公開した元社員は、これを世に出した功績を確実に認められるべきであり、人類は彼に烙印を押すのではなく、むしろ逆に見るべきなのかもしれません。
KR20210062550A - Mehtod of manufacturing ceramic composite with low resistance including superconductors and the composite thereof -
https://patents.google.com/patent/KR20210062550A/en
これまでの実験室でのLK-99再現試行は、HUSTが2件: https://www.bilibili.com/video/BV14p4y1V7kS/ https://www.bilibili.com/video/BV13k4y1G7i1/
USTCが1件: https://www.bilibili.com/video/BV1Ex4y1X7ix/ この小さな試料は尖った側で立つことができます。
Qufu Normal Universityが1件: https://www.zhihu.com/zvideo/1669820225079070720
THUの背景はあるものの個人プロジェクトだと主張するものが1件: https://www.bilibili.com/video/BV14z4y1s7Vo
中国国外のもっと多くの研究室が、なぜLK-99を作って動画を公開しないのか気になります。
短期資金は米国や欧州の同僚よりうまく獲得できる場合も多い一方で、長期的なキャリアの安定性が不足しています。そのため、LK-99のような潜在的ブレークスルーを、情熱や好奇心だけでなく生き残りのためにも追い続けなければなりません。
中国の制度には年齢と結びついた賞、研究費、称号も多く、それは名誉だけでなくキャリア上の前進に不可欠であるため、若手研究者の間の切迫感と競争をさらに高めています。
まだ決定的な再現に成功しておらず、後で誰かが確実な陽性結果を出すかもしれないと考えて、陰性結果の公開をためらっている可能性があります。
まだ100%確信できない結果をより慎重に扱っているか、注目を集めるサイエンスよりも査読後に論文を出す従来の経路を好んでいるのかもしれません。
YouTube動画を投稿して膨大なやり取りに対応したくない、あるいは間違うことを恐れている可能性もあります。
機械学習でも大きな発表の後には、低品質な論文が「最初」になろうとして押し寄せます。しかし長期的には、良い仕事をするには時間が必要なので、あまり意味はありません。
優れた研究室は、中途半端で曖昧な結果を発表したがらず、責任を持てる包括的で決定的な高品質の結果を出したいと考えます。それが科学を前へ進めるのです。
多くの研究室がLK-99を研究中でしょうが、このような拙い分析は出さないでしょう。
タイトルの翻訳は「室温超伝導が本当に再現されたら、うんこを食べる」です。その後bilibiliでこの話題が盛り上がり、最初のLK-99再現動画はほぼ1000万回再生に達しました。