- LK-99系の銅置換鉛アパタイト（CSLA）で、250 K以下のM-Hヒステリシスと300 K超のZFC-FC分岐が観測され、室温近傍でのマイスナー効果の可能性が残されている
- 研究チームは過剰な銅ドーピングに伴う強磁性を抑えるため、Pb9.1Cu0.9(PO4)6S組成を採用し、共沈・水熱処理・アルゴンおよび酸素雰囲気での焼成を経て試料を作製した
- 25 OeではすべてのM-T曲線が反磁性を示したが、200 Oeでは常磁性に変わり、既存の低磁場マイクロ波吸収実験で示されたHc1 約30 Oeと対応する
- M-H測定では、250 K、200 K、100 Kの±500 Oe範囲の信号は概して常磁性だが、10 Oe以下では超伝導体型のヒステリシスループが観測された
- 試料内の活性成分が非常に少ないため信号は極めて弱く、XRDでも残留酸化物や硫化銅の干渉の可能性が残っており、より多くの活性成分を持つスケーラブルな合成が必要である
マイスナー効果を確認するための実験目標
- 完全反磁性、すなわちマイスナー効果は、超伝導体候補を評価する基本基準の一つである
- マイスナー効果の判定には通常、次の二つの観測がそろって必要となる
- ZFCとFC測定の間に分岐がある反磁性M-T曲線
- 臨界温度以下で明確な臨界磁場を持つ超伝導体型M-Hヒステリシスループ
- 銅置換鉛アパタイト（CSLA）、またはLK-99は室温超伝導体候補として取り上げられてきたが、完全なマイスナー効果はまだ確認されていない
- 今回の研究の焦点は、既存報告で不足していた直流（dc）ヒステリシスの直接観測にある
- Leeらは大きな反磁性を報告したが、HabamahoroらはこれをCu2Sに由来するものと解釈した
- 既存のdc測定では重要なヒステリシスループがなく、マイクロ波条件でのみ観測された例がある
試料作製と磁化測定手順
- 強磁性信号を減らすため、銅ドーピングを調整したPb9.1Cu0.9(PO4)6S試料を設計・作製した
- 作製は次の順序で行われた
- リン酸塩と硫化鉛を水溶液中で共沈により混合
- pH 8条件で180°C、24時間の高圧加熱
- アルゴン雰囲気で900°C、8時間焼成
- 温度を500°Cまで下げた後、純酸素雰囲気で48時間追加焼成
- 酸素存在下で室温まで冷却
- 先行研究によれば、最新の合成方式でもCSLAの超伝導成分は非常に小さく、臨界磁場は数十Oe程度と弱い
- 強い常磁性信号が低磁場での超伝導の可能性を覆い隠すことがあり、試料純度が重要だが、銅ドーピング比率を下げると観測信号も弱くなり得る
- **渦糸ガラス相（vortex glass phase）**の強いメモリー効果のため、強い磁場にさらされた試料は磁化履歴を記憶する可能性があり、測定手順を慎重に設計する必要がある
- dc磁化測定にはMPMS-3 SQUIDが用いられ、手動位置決めとFixed Center dc momentデータが活用された
- 初期磁化のない緩和した試料で25 Oeと200 OeのZFC曲線を測定した後、300 K、250 K、200 K、100 KでM-H曲線を測定した
- その後、試料をゼロ磁場で消磁して10 Kまで冷却し、ZFC-FC曲線を再測定して超伝導およびガラス相のメモリー効果を確認した
M-T曲線の反磁性とメモリー効果
- M-T曲線は磁場スイープの前後いずれでも明確なZFC-FC分岐を示した
- 25 Oe条件ではすべての曲線が反磁性を示した
- 200 Oe条件では常磁性が現れた
- これは低磁場マイクロ波吸収研究で示された低い臨界磁場Hc1 = 30 Oeと一致する
- 初期磁化後のZFC曲線はそれ以前より低くなり、約100 K付近で明瞭な折れ曲がりが現れた
- 最後の磁場スイープが100 Kで実行された状態で冷却されたため、この折れ曲がりはガラス相メモリー効果を示している
- 約250 K付近にも転換点があり、これを臨界温度Tcとみなせる
- 200 Oe条件では50 K以下で曲線が下向きに折れ、ガラス相的挙動がより明瞭に観測された
低磁場で現れたM-Hヒステリシス
- 250 K、200 K、100 Kで測定したM-H曲線は、強磁場領域では基本的に常磁性信号を示した
- 10 Oe以下では、超伝導体で典型的に現れるヒステリシスループが明確に観測された
- 試料内の活性部分が非常に小さいため、生データの信号対雑音比は相対的に低い
- 250 Kを超える温度ではヒステリシスを確認できない
- 磁場を正方向と逆方向にスイープすると非対称性が現れた
- 0磁場付近で負のピークが正のピークよりも鋭い
- 同じ非対称性はマイクロ波吸収でも観測されている
- 最初の磁場スイープが正方向であり、試料が関連する渦電流を生成してそれを記憶した可能性があるが、今後の確認が必要である
初期磁化、XRD、残る不確実性
- ヒステリシスループでは25 Oeでの磁化は正だが、M-T曲線では負に現れ、初期磁化曲線が解釈の鍵となる変数として浮上した
- 初期磁化曲線と最初の逆方向スイープ曲線を別々に見ると、初期曲線では50 Oe以下の磁化が負である
- 室温でもヒステリシスがあり、分岐点は約350 Oeである
- このヒステリシスもマイクロ波吸収で見られ、渦糸ガラス相に由来すると解釈されている
- 低温では分岐点が増加し、低磁場でピークが現れることから、マイスナー相が存在する可能性がある
- XRDデータはMaterials StudioのReflexモジュールで精密化され、アパタイトのP63/m構造特性と一致した
- 25–27°および30–40°の範囲には小さな不一致があり、残留酸化物に由来する可能性がある
- 純酸素雰囲気で長時間焼成したにもかかわらず、合成過程で意図的に硫黄元素を追加しているため、一硫化銅の干渉を完全に除去するのは難しい
- CSLAの反磁性はM-T曲線とM-Hヒステリシスループの両方で調べられ、観測は250 Kまで可能だった
- 300 K超でもZFC-FC分岐があるため、室温超伝導性観測の可能性は残っているが、現在の試料では信号が非常に弱く、より多くの活性成分を持つスケーラブルな試料合成が必要である
1件のコメント
Hacker News のコメント
背景を補足すると、公開の場で LK-99 派生の常温超伝導体を追跡していた中国チームが2つあり、便宜的に「北中国チーム」「南中国チーム」と呼ばれていました。
北中国チームは北京の Hongyang Wang が率い、南中国チームは広州の Yao Yao が率いていました。
2つのチームは合成と分析の手法が異なり、北中国チームは水熱合成と SQUID 測定を、南中国チームは固相合成と EPR 測定を使っていました。
今回の論文は両者の共同論文で、互いの結果を再現しており、論文中では曖昧ですが、舞台裏の記事では明確に述べています。
超伝導性の明瞭なシグナルを測定しており、250 K は確実だが 300 K は確実ではないため、「near room temperature」と書いたのです。
「possible」という表現は、舞台裏の記事を見ると、実質的には控えめな言い方に近いものです。
興味があるなら、舞台裏の記事はぜひ読む価値があります: https://www.zhihu.com/question/637763289 中国語で、Hongyang Wang は Zhen Keai Dai、Yao Yao は Xi Zhixi です
前回も「可能性のあるマイスナー効果」がありましたが、結局は反磁性だと判明しました。
追加の証拠が積み上がるまで保守的に見ることに損はありません。
「超伝導第一法則: 理論物理学者から距離を置け。」ルールは破られるためにあるのか、と思ってしまいます。
何年も酔ったことがなかったのに、先週金曜に実験結果の写真とリアルタイム測定値が次々送られてきて、受け取るたびに一杯ずつ飲んだら完全に潰れてしまい、学生たちに背負われて帰ったので恥ずかしい、というくだりもあります。
LK-99 が偽物だったにもかかわらず、その変種を作ろうとした数多くの試みの中で、偶然動作する化合物を見つけたと信じなければならないからです。
まったく別の、まだ有効な研究の流れから出てきたものより説得力が落ちます。
科学技術の歴史にはもっと奇妙なこともありましたが、そう多くはありません。
ここでの current は「電流」と「現在」をかけた言葉遊びです。
この効果に必要な圧力がどの程度なのか、実用を制限するほかの条件があるのかも気になります。
250 K は -23°C、または -9°F で、寒い冬の日くらいなので、本当にほぼ室温に近いと見なせます。
まだ STP、つまり標準温度・圧力である 0°C/1気圧ではありませんが、まもなく可能になるかもしれません。
https://www.indstate.edu/cas/chem_phys/filling-nmr-magnet
既存の超伝導体をヘリウムで冷却するのは高価で、装置も大掛かりです。
小型のペルチェ冷却器や一般的な冷蔵庫式の構成で超伝導体を冷やせるなら、非常に大きな利点になります。
テキサス基準では -9°F がほぼ室温だというのには同意しにくいですが、冷凍庫は時々そのくらいまで下がります。
励みになるのは、実例がたった1つ成立すればよいという点です。
たった1つでよく、年々そこに近づいているように感じます。
電線やシートにできるほどの延性があるのか、すぐ腐食するのか、長期的に安定なのか、ほかの金属とあまりに簡単に合金化するのかを見なければなりません。
材料には製造と使用の両方の文脈で重要な物性が非常に多く、別のプロセスで一部の問題は直せても、すべては直せません。
それでも1つ見つかれば、関連する可能性で満ちた部屋の扉を蹴破って入るようなものになるでしょう。
独立に再現されるまでは科学ではありません。
それまでは「興味深いが、誰か別の人が捏造ではないと示すまでは信じられない」に近いものです。
誰かが少しでも違う方法でやって動作すると主張するたびに、そのカウンターはリセットされます。
常温超伝導は途方もないブレークスルーでしょうが、実際の製品になるまでには越えるべき壁がまだたくさんあります。
磁石の下にサンプルが浮いている写真へのリンク: https://nitter.net/pronounced_kyle/status/174272502945091611...
LK-99 の「浮上」写真を説明する有名な理論の1つは、物質自体は反磁性なので磁石を押しのけるが、鉄の不純物があるため磁石に引き寄せられる、というものです。
そのため、小さな破片の片方の角に微小な鉄片が付いて磁石にくっつき、残りの大部分は押しのけられて、角の1つだけが接触したまま「半分浮いた」ように見えます。
時間がたつと、サンプルが斜めにほとんど浮いているように見えるが完全には浮いていない、という一貫した形に気づくようになります。
また、暗い部屋で絞りを大きく開けて撮ると、サンプルが磁石に接触する点が光学的にぼやけることがあります。
特に非常に小さいサンプルのマクロ写真はこうした効果を受けやすく、実際には接触しているのに、目に見える「隙間」があるように見えることがあります。
より良いピントやフォーカス合成で撮れば、それでも磁石と接触している小さな点が見えるはずです。
正しく理解できているなら、この履歴現象もサンプル中のごく微量の鉄汚染で起きている可能性があるのでは、という気がする
強磁性の履歴は温度が上がるほど大きくなるが、ここでは低温で履歴がより強い
低温で観測された履歴の大きさも、検出されていない汚染で説明するには大きすぎる
さらに研究者たちは、サンプルを逆さにして完全に浮かせた写真を公開していて、これを別の形で説明するのはかなり難しい
複雑に答えるなら、あり得るかもしれない
硫化銅は奇妙な現象を多く示すし、予想外の形で強磁性に影響することも非常に起こりやすい
サンプルに鉄が多く含まれている可能性も完全には排除できないし、常温超伝導体にかかる途方もない誘因は、データを偏らせたり、場合によっては捏造したくなる強い誘惑になる: https://www.science.org/content/article/plagiarism-allegatio...
あそこは私の母校なので気分が重い
Anton Petrov がこれを動画で取り上げるまでは本物ではない
その次に PBS 系の動画を見て、ときどき Sabine も見るが、そちらは 100% の正確性や最低限の検証を期待して見るわけではない
LK-99 騒動を少し追ってみると、きちんとしたマイスナー効果は、磁石の上に浮いていて、触ると別の位置を保つ様子（https://youtu.be/F9ukYM4cSOk?t=11）で、LK-99 の反磁性現象とはかなり違って見えた
LK-99 は片端が磁石に触れて、少し揺れる程度だった
上の動画のような様子を見せるまでは懐疑的に見るつもり
今フィンランドにいるが -30°C なので、銅置換鉛リン酸アパタイトの靴があれば磁気浮上で出勤できそう
信じたい、本当に信じたい
自分も含めて
病気、貧困、エネルギー、移動、娯楽がすべて安価で豊富になる世界だなんて、どうかこれが本物であってほしい
250 K は -23.15°C
今日たまたまモスクワの天気を検索したら、-23°C から -26°C だった
室温とは言いにくいが、いくつかの都市では外気温ではある
一般的な冬は -10°C より高い