常温・常圧で動作する最初の超伝導体？

 (arxiv.org)
2 ポイント 投稿者 GN⁺ 2023-07-26 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • 研究チームは、変形した鉛アパタイト（lead-apatite）構造の LK-99 が、常圧で Tc ≥ 400K, 127°C を示す常温超伝導体だと主張している
  • 根拠として、ゼロ抵抗・マイスナー効果 とともに、臨界温度、臨界電流、臨界磁場、XRD・XPS・EPR・熱容量・SQUID 解析を提示している
  • 中核メカニズムは、Cu²⁺ が Pb²⁺ の位置を置換して 0.48% の体積収縮 を生み、この応力が Pb(1) 円筒状柱界面を歪ませて超伝導量子井戸（SQW）を作るという説明である
  • 薄膜試料では 0.1µV/cm 範囲の電圧 と 10⁻¹⁰~10⁻¹¹Ω·cm レベルの抵抗率が示され、400K と 3000Oe 以上でも臨界電流 7mA が残っていたとしている
  • 論文の結論は、LK-99 の常温・常圧超伝導性は外部圧力や低温ではなく、構造内部の 微細な歪みとひずみ に由来するというものである

LK-99の常温・常圧超伝導の主張

  • 研究チームは、常圧で動作する 常温超伝導体 を合成したと主張している
    • 物質名は LK-99
    • 構造は変形した鉛アパタイト（lead-apatite）
    • 臨界温度は Tc ≥ 400K、すなわち 127°C 以上とされている
  • 従来の hydrogen sulfide や yttrium super-hydride ベースの常温超伝導体は非常に高い圧力が必要で、日常的な機器への適用が難しいと説明している
  • LK-99 は、温度と圧力の問題を化学的アプローチで解決した事例として扱われている

超伝導性の判断に用いられた測定

  • 論文は、LK-99 の超伝導性を判断するために複数の項目をあわせて提示している
    • 臨界温度（Tc）
    • ゼロ抵抗
    • 臨界電流（Ic）
    • 臨界磁場（Hc）

    • マイスナー効果

      • XRD, XPS, EPR, 熱容量, SQUID 解析
      • 電圧-電流測定は 298K~398K の範囲で 20K 間隔で実施された
      • 測定は 10⁻³ Torr 真空で DC 極性切替方式により行われた
      • バルク試料の比抵抗は 10⁻⁶~10⁻⁹Ω·cm の範囲で測定された
      • 薄膜試料は精密ガラス板上に熱蒸着プロセスで作製された
      • 測定電圧は 0.1µV/cm 範囲
      • 算出された抵抗率は 10⁻¹⁰~10⁻¹¹Ω·cm
      • 論文は、この結果が IEC 基準のゼロ抵抗条件を満たすとみなしている

400Kまで残る磁気・電流特性

  • 10Oe 磁場で、ゼロ磁場冷却と磁場冷却の DC 磁化値は 400Kまで負 を維持したと示されている
    • 研究チームはこれを、400K まで超伝導相が存在する根拠と解釈している
  • 臨界電流は 400K および 3000Oe 以上 でも 0 ではなく、値は 7mA と提示された
  • 論文はこの結果に基づき、LK-99 の臨界温度は 400K超 だと判断している
  • LK-99 は多結晶形態として提示されている
    • バルク試料の不均一な抵抗は 粒界、intergranular vortex flow、free vortex flow と結び付けられている
    • 補足資料には Josephson-like 現象と熱電効果の観測も含まれている

構造解析とCu置換メカニズム

  • XRD 結果では、LK-99 は 多結晶 であり、主要ピークは鉛アパタイト構造とよく一致するとされている
    • 一部 Cu₂S 不純物 も現れている
  • 元の鉛アパタイトの格子定数は a=9.865Å, c=7.431Å
  • LK-99 の格子定数は a=9.843Å, c=7.428Å で、体積は 0.48% 減少している
  • 想定化学式は Pb₁₀₋ₓCuₓ(PO₄)₆O, x=0.9~1.0
    • 鉛アパタイトの Pb(2) サイトのうち約1つが Cu(II) イオンで置換された構造と説明されている
  • Cu²⁺ イオンのサイズは 87pm、Pb²⁺ イオンは 133pm
    • より小さい Cu²⁺ 置換が体積収縮を生み、この収縮がネットワーク部分に応力を与えるという解釈である
  • 電子密度計算と XPS 解析は、応力が Pb(1) 円筒状柱構造に影響を与えるという解釈につながっている
    • Pb(1) の位置が a 軸平面で内側または外側へわずかに移動する
    • Pb(1) 三角構造の1層の距離は 3.03340Å から 2.61815Å に縮む
    • 次の層の距離は 5.23476Å に広がる
    • c 軸方向の層間距離は 3.7140Å で、鉛アパタイトの 3.7153Å とほぼ同じである

超伝導量子井戸（SQW）解釈

  • EPR 信号は、Si/SiGe のようなヘテロ接合量子井戸、乾燥状態の natural DNA、Mg²⁺ ドープ α-Fe₂O₃ の事例と同様の形として提示されている
  • 研究チームはこの信号を、量子井戸の 2次元電子ガス（2-DEG） のサイクロトロン共鳴信号と解釈している
  • この解釈によれば、Pb(1) と phosphate 酸素の間の界面に 超伝導量子井戸（SQW） が生成される
  • LK-99 の超伝導性はこの SQW と深く関連していると整理されている
  • 熱容量の結果も、LK-99 の超伝導性を説明する新しいモデルに適合すると提示されている
  • 最終的な結論は、界面の 微細な歪み構造を維持できる独特な構造 が LK-99 の常温・常圧超伝導性を可能にするというものである

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1件のコメント

 
GN⁺ 2023-07-26
Hacker News の意見

  • 論文の内容がすべて事実だとしても、現在の形の材料は応用範囲が限られるかもしれない
    提示されている臨界磁場と臨界電流は非常に低く見える。2500 Oe は約 0.25T で、REBCO でも 77K で 1T を超える。しかも 2500 Oe は臨界温度での値ではなく、ずっと低い温度で得られた値だ
    電流測定の試料サイズを見つけられなかったため臨界電流密度は分からず、300mA 程度の電流だけでは意味合いは弱い。現時点では大電流を流すのは難しく、強力な磁石や送電線のような常温超伝導体革命の代表的な応用を作るのは難しそうだ。もちろん、材料を少し調整するだけで高い J_c と B_c が出る可能性もあるので、本当にそうなることを願っている

    • 単結晶を作るか、少なくとも結晶粒径を大きくすれば、電流密度は大きく改善できる可能性がある
      不純な超伝導体試料は、超伝導領域と非超伝導領域が混ざったスポンジのような状態になりやすく、実際に電流を運ぶ断面が 25% にも満たないため臨界電流が制限される。以前 YBCO を自作したときも、ほとんどはこのような状態で、たまに良い試料ができた
      YBCO 単結晶成長の特許もある: https://patents.google.com/patent/US6046139A/en
      論文 7 ページの試料写真を見ると、実際にスポンジのような塊に見える。ノーベル賞級のスポンジの塊かもしれないが、それでもスポンジだ。より良い結晶成長法が出てくれば数値は良くなると思う
    • もし事実なら、彼らは可能性そのものを証明したことになるし、それは途方もない飛躍だ
      いったん可能だと確認されれば、最適化にはそれほど時間がかからないかもしれない。トランジスタもかつては巨大だったが、今ではナノメートル規模で、太陽電池も改善され続け、バッテリーも以前より安く高性能になった
    • これは踊る豚のような事例だ。重要なのはどれだけ上手に踊るかではなく、踊るという事実そのものだ
    • 1980年代半ばに初めて超伝導体が発表された頃を思い出す
      数年間、科学好き向けニュースの大きな話題で、一般読者向けの New Scientist にも興奮気味の記事が載っていた。核融合は相変わらず 50 年先だったが、常温超伝導体は数年以内に来るように見えたし、もちろんそうはならなかった
      1980年代後半、Oxfordshire の私立学校に通っていた頃、物理クラブで Culham の見学にも行き、Culham の物理学者たちが学校に来て講義もしてくれた。今思えば、とてつもない特権だった。53 歳になった今、ある種のことには本当に長い時間が必要なのだと実感している
    • 出発点として、自分の SQUID を自作するのに使いたい。試してみたい実験や理解したい現象があり、検出器を低温に保つための極低温装置が不要になれば大きな助けになる
      アンテナ、伝送線、同調空洞にも使いたい。超低周波（VLF）帯では非常に長い導線が必要になることが多く、防衛予算でもなければ抵抗のせいで効率が大きく落ちる。超伝導体がこれを解決してくれる可能性がある
      [1] https://en.wikipedia.org/wiki/SQUID
      [2] https://en.wikipedia.org/wiki/Aharonov%E2%80%93Bohm_effect
      [3] https://en.wikipedia.org/wiki/Longitudinal_wave#Electromagne...
      [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_radio_frequenc...
      [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Very_low_frequency#Amateur_use

  • 関連論文[1]の著者の一人であるHyun-Tak Kimは、査読付きジャーナル論文が多く[2]、引用数が1500回を超える論文もある[3]
    どこに落とし穴があるのかは分からないが、かなり正当に見える。以前の主張のように再現に複雑な装置が必要なわけでもなく、今回の合成は非常に単純に見えるので、ほかの研究者の結果もすぐに出てきそうだ

    1. Superconductor Pb10-xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism: https://arxiv.org/pdf/2307.12037.pdf
    2. Google Scholar: https://scholar.google.com/citations?user=_P8mux4AAAAJ&hl=en
    3. Mott transition in VO2 revealed by infrared spectroscopy and nano-imaging: https://scholar.google.com/citations?view_op=view_citation&h...
    • 2023年4月にJournal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technologyに掲載されたLK-99以前の論文も見つけた。韓国語が読めないので多くは得られなかった: http://journal.kci.go.kr/jkcgct/archive/articleView?artiId=A...
    • Rochester側とは違って、今回は超伝導性の複数の兆候を確認する良い実験に見える
    • ひとつの難点は、鉛の使用のために応用分野がかなり限定される可能性がある点だ
    • 超伝導性までは信じられるとしても、LK-99がすでに登録商標というのは一線を越えている感じがする
    • 室温・常圧で浮上するPb10-xCux(PO4)6O超伝導体とは、エイプリルフールの冗談が遅れて来たのかと思う
      浮くこと自体よりも、本当に室温・常圧超伝導体で、しかも作りやすいなら世界をどれだけ変えるかが驚きだ。話がうますぎて本当とは思えない

  • 関連論文[1]に出ている製法はかなり単純で、Amazonで売っている200ドルの家庭用金属溶解炉と前駆体さえあれば家でもできそうに見える
    本当なら、HackadayやYouTube界隈の賢い人たちが数日から数週間以内に再現しそうだ
    実在するなら、エネルギー送電と発電で明白な利点があり、常温超伝導体があれば工学的応用が爆発的に増える可能性が高い。リチウムイオン電池が社会全体のエネルギー利用をゆっくり変えたのと似ているが、もっと速いかもしれない。再現されることを願う
    [1] https://arxiv.org/pdf/2307.12037.pdf page 3

    • 明白な注意点を付けるなら、化学実験室の安全をかなりよく理解していない限り、自分で試さないほうがいい
      再現に成功するより、自分の土地と隣人の土地まで汚染する可能性のほうが高い
    • Nile RedとApplied Scienceの動画が出るのが楽しみだ
    • Twin Cities地域で一緒に作ってみたい人がいれば、面白いグループプロジェクトになりそうだ
    • 鉛の煙を隣家のほうへ流さないでほしい

  • 姉妹論文[0]には、マイスナー効果で磁石の上に浮いている材料の写真があり、動画もあると主張している
    写真を露骨にPhotoshopしたか、実際に室温超伝導体を作ったかのどちらかに見える。室温で磁気浮上が起きているのに超伝導体ではない、という微妙なミスで説明できるケースはあまり想像できない
    [0] - https://arxiv.org/abs/2307.12037

    • 動画: https://www.youtube.com/watch?v=EtVjGWpbE7k
      誰か少し興奮を落ち着かせてほしい。楽しみすぎる
    • arXivの関連メディアタブにリンクされている当該動画はこちらに見える: https://sciencecast.org/casts/suc384jly50n
    • 先に言っておくと、自分はソファ科学者レベルなので、その表現すら大げさかもしれない
      それでも動画では、超伝導体を銅の上に薄膜としてコーティングしたと言っているが、純銅でも渦電流のために似た効果を示し得るのではないかと思う。この実験で薄い膜が板にどんな影響を与えるのかよく分からないし、何か見落としているなら誰か教えてほしい

  • これは思ったよりかなり大きな出来事かもしれない
    要旨には「LK-99の超伝導性は、わずかな体積収縮によって生じる微細な構造歪みに由来する」とある
    以前にも、冷却などで原子構造の配列が変わることが超伝導性にどう影響するかを研究したものがあった。研究者たちは、低温状態の超伝導体の間隔を加熱後も維持しようとしていたように思う。その研究と方向性が合っているように見えるが、見つけ直せなかったので、間違っていたら訂正してほしい
    それでも扱うにはかなり脆く、厄介かもしれないが、可能性は本物に見える

  • 3ページのグラフは、本物の超伝導体なら期待するような見た目そのものだ。特に電流・電圧・温度の関係がそうだ
    超伝導体を作ったか、データを露骨に捏造したのでなければ、こういうグラフがどう出るのか分からない。途方もない出来事になるかもしれない

    • 最初に思ったのは「これが本物で、データ収集ソフトがシミュレーションモードのままになっていただけではないことを本当に願う」だった
      再現されれば歴史的事件だし、されなければ常温核融合や超光速ニュートリノのような話になる

  • 超伝導研究者たちによるこのコメントスレッドは読む価値あり: https://www.reddit.com/r/worldnews/comments/159g2k4/comment/...
    論文には問題が多く、現在の超伝導研究の基準に達していないとのこと。そのうちの1人は、Diasの研究のほうがこれよりまだもっともらしいとまで言っている

    • 指摘は妥当だが、そのすぐ下で誰かが新しい論文を読んだのかと尋ねていた。古い論文が別にあるようだが、まだ返答はない状態
    • 図1bへの批判はいまひとつ納得しにくい。1aと1cの抵抗測定は、温度と磁場に応じて、ほぼ期待どおりにゼロ抵抗が現れたり消えたりすることを示している
      接続が切れて、ちょうど都合よく再接続された可能性は低そうだ。それでもなお、かなり懐疑的ではある

  • 事実なら途方もない出来事だ。化学の専門家ではないが、合成は基本的に些細なものに見える。10e-5 torrの真空を些細と見るならの話だが、材料も容易に入手できる標準的な金属のように見える
    説明だけを見ると、自宅でも作れそうに思える。探索空間は想像もつかないほど広いので、こうした物質が存在する可能性はあるだろうが、論文の品質そのものは喜べるレベルではない
    実際の材料科学者が評価するか、誰かが再現するまでは健全な懐疑を保つつもりだ

    • ガレージでYBCO超伝導体を何度も作ったことがあり、論文の固相合成法はホビイストが使う方法と非常によく似ている
      むしろ、通常必要になる流通酸素雰囲気下での慎重な低速アニールがなくてもよさそうに見える。さらに単純な方法が可能でも驚かない
      例えばYBCOの高速合成法の中には、小さなアルミナボート、グラスウール、家庭用800W電子レンジ、少し改変した前駆体混合物を使う方法がある。加熱中に混合物から酸素が出て、試料の周囲のグラスウールに閉じ込められるため、酸素濃縮器を接続する必要がない。記憶では試料準備に15分ほどしかかからなかった
      本当にわくわくする。長年にわたり超伝導体の製造と試験に関する論文を何百本も読んできたが、少なくとも市民マッドサイエンティストの観点では、正当性の特徴をすべて備えているように見える
    • 材料合成の部分、つまり補足資料の最初の部分を少し見たが、同意する。合成は些細だ
      10e-5の真空も、機械式ポンプでバックアップしたターボポンプなら簡単に到達でき、特殊でも高価でもない装置だ
    • 主張どおり超伝導性を示す物質をただ作れるということなのか？ 特別な要件がないなら、まもなく再現できるかどうかが分かれそうだ
    • 10e-5 torrの真空はまったく難しくない
      職場の電子ビーム溶接機は、E-gunチャンバーで小型ターボポンプか拡散ポンプだけを使い、一日中10E-6/10E-7を維持している。チャンバーも特殊な材料ではなく、ステンレス鋼やアルミニウム、Viton O-ring程度だ
    • 10e-5 torrの真空はまったく難しくない
      職場の電子ビーム溶接機は、E-gunチャンバーで小型ターボポンプか拡散ポンプだけを使い、一日中1E-6/1E-7を維持している。チャンバーも特殊な材料ではなく、ステンレス鋼やアルミニウム、Viton O-ring程度だ
      私の小さなe-gun実験はAlcatel Pascal 2008だけで行っても約3E-3まで到達する。今はVHS4拡散ポンプとcold trapを付けた、より大きなシステムを作っているが、簡単に-6台に入れそうだ

  • 興味深い論文だ。2020年に室温超伝導体を主張し、のちに不正だと判明した別チームと同じ展開にならないことを願う
    https://www.nature.com/articles/d41586-023-02401-2

    • その別チームの主張は、超伝導性を示すとされる特定のデータ自体を評価するのが非常に複雑で、方法論も高圧を必要としたため再現がきわめて難しかった。結局、結果は偽りで、再現は不可能だった
      今回の主張は理解するのが非常に単純で、超伝導性とも非常によく整合している。常圧・常温で巨視的スケールの現象が見られ、超伝導性がなければ説明のつかない映像もあり、何より材料の作り方が非常に単純だ
      世界中の研究室が再現するのは難しくないはずで、複数のYouTuberも再現できるだろう。つまり、この結果が偽物である可能性はあるが、その場合は結果も映像も写真もすべて捏造でなければならない。そして再現があまりに容易なので、非常に早く露見するはずだ
      事実なら、多くは材料調達の時間のために数週間以内に再現できるはずだ。論文として発表されるまでにはもっと時間がかかるだろうが、YouTuberのほうが早いかもしれない。2年後になってようやく不正だったと分かるような状況ではなく、長くても数か月以内にはYouTuberたちが再現可能かどうかを把握し、1年以内には研究室での再現可否も明らかになるだろう

  • 論文をざっと読むと、この分野の専門性はまったくないのに正式な論文のように読める
    ただし LaTeX ではなく Word で書かれている点は少しそれらしさに欠けるように感じるし、実験装置に誤りがある可能性も当然ある
    いちばん目を引いたのは、これが薄膜で起きており、構造欠陥が材料に歪みを生み、その歪みが超伝導性を可能にしているという説明だ。薄膜だからなのか、25°Cでは約250mAにしか耐えられず超伝導性を失っている。論文が正しかったとしても、より高い電流へ進むのは難しいかもしれない。あるいは幅広い薄膜を巻いて、望むだけの電流を流せるのかもしれない
    修正: 薄膜の部分を読み違えていた。薄膜も作ってはいるが、主に説明されている試験材料は「反応後、暗灰色のインゴットを再現性よく得て、電気測定のために薄い直方体形状にした」というようなもので、寸法はすぐには見つけられなかった

    • 単純化のため論文の主張を受け入れる表現を使うが、それでも懐疑的ではある
      超伝導体には磁場・温度・電流が共有する予算[1]がある。25°Cでは材料が臨界温度に近いので、電流を運ぶ能力が下がるのは自然だ。より低い温度では、薄膜はもっと多くの電流を流せるはずだ
      それでも超伝導 CPU を作るつもりなら、250mA は十分な電流だ
      [1] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/scbc2.html
      論文を読んだ後に補足すると、彼らは約126°Cという非常に高い臨界温度を主張している。図1eで温度依存性を見ることができるが、予想よりも臨界温度からかなり離れており、室温ではわずかに冷やすだけでも大きな効果があるようだ。再現の試みが非常に楽しみだ。ただし、この物質は本質的には二次元分子に近いように見える。私たちは数十年にわたって graphene に期待をかけてきたが、まだスケーラブルなプロセスに統合できていない
    • 「論文をざっと読むと、この分野の専門性はまったくないのに正式な論文のように読める」という文、ちょっと面白すぎないかと思う
    • コンピューター科学以外の論文で LaTeX がどれくらい使われているのか気になる。知っている医学研究者たちは、だいたい Word で論文を書いている
    • 薄い層は積層できる
      もっと興味深いのは柔軟性だ。現在の液体窒素冷却のセラミック超伝導体はまったく柔軟ではなく、もろくて割れやすい。送電線にはよいかもしれないが、多くのコイルには扱いにくい
    • それなら Josephson 接合に似た優れたセンサーになり得る、ということなのだろう
      更新: 論文上の答えは「はい」だ。「超伝導体-通常金属-超伝導体のアンダーダンプ接合や粒界結合超伝導体における Josephson 類似現象、そして粒界間または内部ネットワークの熱電効果も観察された」とある