ここ数週間、LK-99と呼ばれる物質が室温・常圧で超伝導を示すとされ、科学者や一般の人々の間で大きな関心が高まっている。

LK-99は、韓国の研究者たちが7月22日にarXiv（非査読制の科学報告リポジトリ）に2つの論文を投稿したことで注目を集めた。研究者らは、LK-99が超伝導である可能性を示す指標として、予想外に低い電気抵抗と磁場中での部分的な浮遊を報告した。

この可能性のある発見はソーシャルメディアで熱狂を呼び、従来メディアでも広く報道された。物質中の量子現象に携わる物理学者として、私は超伝導への関心を目の当たりにして嬉しく思い、この報告に対する興奮を分かち合った。しかし、私は懐疑的な目でこの結果に接していた。特に、室温超伝導に関する過去の報告の多くが再現できなかったからだ。

世界中の科学者による追試の結果、LK-99はそれほど特別な物質ではないようだ。しかし、この特別な研究の道は行き詰まったかもしれないが、室温超伝導体の夢はまだ生きている。

超伝導体とは何か、なぜ有用なのか？

金属のような普通の導体は、電子が物質を構成する原子の「結晶格子」の中をかなり簡単に移動できる。これは電流が流れることを意味するが、電子は移動する際に少しもみくちゃにされるため、移動中にエネルギーを失う。(このせめぎ合いを電気抵抗と呼ぶ）。

超伝導体では抵抗はゼロで、電流はエネルギーを失うことなく完全にスムーズに流れる。多くの金属は非常に低い温度で超伝導体になる。

超伝導は、電子が金属の結晶格子をわずかに歪めて「クーパー対」になることで起こる。そして、これらの電子のペアが「凝縮」して超流体となり、摩擦なしに流れることができる物質の状態となる。

超伝導体は非常に有用である。MRIスキャナー、粒子加速器、核融合炉、磁気浮上式鉄道のような非常に強力な電磁石を作るために使用することができる。

現在の超伝導体は超低温でしか働かないため、高価な冷凍装置が必要だ。日常的な温度と圧力で超伝導を起こす材料は、もっと広く利用できるだろう。

現在、常圧での最高超伝導温度は-138℃（135ケルビン）前後で、1986年に予期せず発見された銅を含む化合物の一群である「銅酸化物」超伝導体に見られる。銅酸化物における電子対形成には、格子との相互作用とは異なるメカニズムが関係しているようだ。

しかし、このようなエキゾチックな超伝導体についての理解は進んだとはいえ、さらに高温で超伝導を起こす可能性のある新しい物質を確実に予測することはまだできない。それでも、実現不可能と考える理由はない。さらに、ほとんどの超伝導物質がセレンディピティで発見されるとは言わないまでも、多くの超伝導物質がセレンディピティで発見されるのだから、予期せぬ室温超伝導体の発見を手放しで否定することはできない。

では、LK-99はどうなのか？

LK-99は酸素、リン、鉛、銅を含む化合物である。超伝導を主張する論文が発表された当時、この物質についてはほとんど知られていなかった。例えば、この物質が電気を全く通さないかどうかさえわかっていなかった。

常温で超伝導を示すという報告を受けて、世界中の研究者がこの物質を理解し、結果を再現しようと奔走した。まだ日が浅く、最初の報告もその続報も査読を受けていないが、著者らによって報告されたLK-99化合物は超伝導体ではなく、金属ですらないという図式が浮かび上がり始めている。

では、もし超伝導体でないとしたら、なぜ最初の研究者たちは超伝導体だと考えたのだろうか？ある研究では、LK-99の初期試料に含まれていた硫化第一銅という不純物が、研究者たちが見たことの一部を説明できる可能性があると指摘している。

硫化銅は、約127℃（400K）の温度で抵抗が急激に大きく変化する。最初の研究者たちは、この抵抗の低下を見て、LK-99の超伝導によるものと考えたが、硫化第一銅の不純物の抵抗が非常に低い（ゼロではない）ためである可能性が高い。

LK-99の部分的な浮遊は、「磁束のピン止め」と呼ばれる超伝導体の性質を示していたかもしれないが、鉄や他の多くの物質で起こるおなじみの効果である強磁性によって引き起こされたようだ。

つまり、最初の報告で研究されたLK-99のサンプルが超伝導でないことは誰も証明していないが、現在のところ、証拠のバランスは他の説明を強く支持している。超伝導を研究しているほとんどの科学者は、LK-99の研究を続ける理由はあまりないと考えている。

励起子とその先

超伝導研究の次はどうなるのだろうか？さて、LK-99を研究すべき物質リストから除外することはできるが、探索は続く。

実際、ここ数年、通常の条件下で抵抗ゼロを作り出すことに向けて多くの進展があった。

電子をペアにすることが超伝導の鍵だが、電子は本来互いに反発し合うため、これを実現するのは難しい。しかし、電子を物質中の「正孔」、つまり電子が存在するはずの隙間と対にさせることは可能である。

この電子と正孔のペアは励起子と呼ばれ、光と結合して室温で摩擦のない超流体を形成することができる。この超流動体は電流を流さないが（電子と正孔の電荷が相殺されるため）、電子と正孔を分離することで抵抗のない超電流を流すことができるかもしれない。

トポロジカル絶縁体

室温で抵抗をゼロにする別の方法が、いわゆるトポロジカル絶縁体で見つかっている。トポロジカル絶縁体とは、電子がエッジや表面に沿って移動することだけを可能にする物質で、場合によっては抵抗なしに移動できる。

グラフェンは、原子1個分の厚さしかない炭素のシートでできた材料で、強い磁場があればトポロジカル絶縁体になる。しかし、必要な磁場は非常に極端であるため、実現できるのは世界でも数少ない研究所に限られる。

外部から磁場を加えなくても機能するトポロジカル絶縁体もある。これらの材料の現在のバージョンは、超低温でのみゼロ抵抗を示すが、室温で機能しない理由はないようだ。

残念ながら、超流動励起子やトポロジカル絶縁体は、限られた量の電流しか流すことができないため、強力な磁石を作るのには役立たないだろう。しかし、コンピューター・チップで使われる微小な電気信号の伝送には役立つ可能性があり、私の同僚と私は、低電力の電子技術やコンピューター技術を開発するためにこれらを利用している。

本記事は、Michael Fuhrer氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Hopes fade for ‘room temperature superconductor’ LK-99, but quantum zero-resistance research continues」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。