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中国の複数の大学からなる2つの独立した研究チームが、LK-99に関する新たな研究結果を発表し、室温超伝導の存在を確認したようだ。コーネル大学のプレプリントサーバーArXivで発表された研究結果は、興味をそそるものである一方、この分野の複雑さと課題、特に結果の再現性を浮き彫りにしている。

マイスナー効果は、超伝導の特徴の1つであり、LK-99の超伝導を主張する他の研究や特許の更新が確率を高めているとしても、彼らの論文が重要である理由の一つである。

この論文の重要性は、その方法論にもある。両チームとも、LK-99のような室温・常圧超伝導体の実現を目指していたが、合成と分析のプロセスは異なっていた。Yao Yao氏が率いる一方のチームは、固体合成法を用いて試料を調理し(LK-99のオリジナル論文に記載された方法であり、世界的に有名な研究機関が以前その再現を試みたが、精査に耐えることができなかった方法である)、EPR(電子常磁性共鳴)を用いて磁気的挙動を測定した。Hongyang Wang氏が率いるもう一方のチームは、水熱合成を用い、SQUID(超伝導量子干渉素子)測定を適用した。最終的に両チームとも、マイスナー効果を示すと主張するサンプルを作製することに成功した。

lk 99 hongyang wang
銅をドープしたアパタイト鉛のM-T曲線は、ヒステリシスループの存在を示している。ヒステリシスループとは、物質が完全に別の物質状態(超伝導体)となり、印加された磁場を拒絶(ネゲート)する温度条件のこと。 (Credit: Hongyang Wang, Yao Yao et al)

試料の磁化を温度の関数(M-T曲線とも呼ばれる)として調べることで、さまざまな温度レベルで冷却した状態で外部磁場を印加したときの試料の挙動をプロットすることができた。15℃)、200K(-73.15℃)、250K(-23.15℃)の各温度帯で反発し、300K(26.85℃)まで超伝導状態を維持することができた。

250K(-23.15℃)にハードリミットがあるとしても、それはこれまでの超伝導体で必要とされた超低温と比較すれば十分に高い温度である。実験室用の超低温冷凍庫でも200K(-80℃)を保つことが出来るからだ。

論文によれば、研究チームは、オリジナルのレシピとは異なる銅置換アパタイト鉛(化学組成はPb9.1Cu0.9(PO4)6S)を改良したサンプルを作製した。

この「綿密な」合成手順では、リン酸塩と硫化鉛の溶液を高圧下で加熱し(pHを基本的に8に保ちながら)、次に試料を焼成し(900℃で8時間)、さらに純酸素雰囲気で48時間焼成する(500℃まで下げる)。このような量子化学的な製造手順が、ロシアの生物学者の台所でどのように実現されるかは、おそらく容易に想像がつくだろう。しかし、この論文では、この作製法を用いてもサンプルの生存は困難であり、LK-99は物質のごく一部だけが超伝導を示すII型超伝導体である可能性を指摘している。

これまで見てきたように、II型超伝導体は、超伝導物質(物質の独自の相)と他の種類の物質(独自の抵抗特性を示す)が混在している傾向があり、両者の領域が交差するところで緊張状態、文字通りの磁気渦を作り出している。II型超伝導体では、物質の超伝導相が出現するのに最適な条件ではなくなるにつれて、これらの渦が増大する傾向があり、最終的には超伝導状態の崩壊につながる。

論文にあるように、現在最もよく知られているプロセス(彼らが採用したプロセス)に従って合成されたサンプルでさえ、超伝導ビットと称されるものの中に非超伝導物質が高い割合で混ざっている傾向がある。そのようなシナリオでは、サンプルをテストした後でも、不当に死んだと宣言するのは簡単だ。主執筆者2人が公開フォーラムで交わした会話によると、彼らが論文の根拠とした超伝導サンプルの1つは2023年11月に製造され、不発弾と判定され、寿命の複数の時点で廃棄されようとしていたという。結局のところ、製造工程は依然として恐ろしく非効率的であり、(超伝導論文が成立すると仮定すれば)現在のところわざわざスケールアップするようなものではない。

理解できることだが、著者らはまだ事を大きくしたくないようだ。また、共著者である2つの別々の科学者チームは、互いの結果を再現しているように見えることで、さらに疑念をなだめようとしている。しかし、改良された合成レシピによって、他の研究者がこれらの結果を再現できるようになることが期待される。

銅置換アパタイト鉛は、2023年夏、Lee教授らによって「室温・常圧超伝導体」として大々的に発表された。そして、そのような文章が誇大広告を生むのは当然のことだ。革命を起こすような科学的発見があるとすれば、それは電気を無駄に伝導しない物質の出現が必ずや挙げられるだろう。

Nature誌がLK-99を「終わった」としたが、LK-99の周辺では、まだ何かが起こっているようだ。これが集団的な勘違いをした物性物理学者たちが、期待に翻弄された結果なのか、それともLK-99で何かが本当に浮かび上がっており、それが初の室温超伝導体なのか、それとも単に宇宙について我々がまだほとんど知らないことを教えてくれるものなのかは、今のところまだわからない。


論文

参考文献

研究の要旨

室温以下の銅置換アパタイト鉛では、25 Oeの磁場下で反磁性的な直流磁化が観測され、ゼロ磁場冷却と磁場冷却の間で顕著な分岐が見られた。冷却中にガラスのようなメモリー効果が見られる。超伝導体の典型的なヒステリシスループが250K以下で検出され、磁場の前方掃引と後方掃引の間に非対称性が見られる。我々の実験は、室温でマイスナー効果がこの物質に存在する可能性を示唆している。

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