幻に終わった常温・常圧超電導物質 LK-99

「常温常圧で超電導性を示す物質を合成した」とする論文が韓国の高麗大学の付属研究機関「Quantum Energy Research Centre (Q-Centre)」に所属する研究チームによって7月22日に公開された。

The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor by Sukbae Lee、Ji-Hoon Kim、Young-Wan Kwon

同論文は査読前だが、科学雑誌「Science」も「事実なら即ノーベル賞モノの大発見」と期待感を示した。

超電導は特定の物質を冷却すると、一定の温度以下で電気抵抗がゼロになる現象のこと。これまでは、比較的高い温度で超電導性を示す「高温超電導体」でもマイナス170度以下まで冷却する必要があった。

超伝導状態下では、マイスナー効果（完全反磁性）により外部からの磁力線が遮断され（磁石と超伝導体との間には反発力が生ずる）、電気抵抗の測定によらなくとも、超伝導状態であることが判別できる。

研究チームは、銅を添加した鉛ベースの合成物質「LK-99」を開発した。

論文では、ラナルカイト：Pb₂(SO₄)O とリン化銅：Cu₃P をモル比1:1の割合で粉砕して混合物を真空排気した石英管に密封した上で925℃まで加熱すると化学式Pb_10-xCu_x(PO₄)₆OのLK-99が形成されるとしている。

LK-99は常温かつ常圧であれば超電導性を維持でき、水が沸騰する温度以上（127度まで）でも超電導性を示すという。

また、LK-99は、磁場を打ち消すマイスナー効果を発現し、近くの磁石と反発して浮遊することができた。但し、完全な浮遊ではなく、部分的な浮遊である。

LK-99の臨界温度は127℃（261°F）で、これが確認されれば、LK-99は唯一の常温超伝導体となる。

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しかし、世界中の研究者たちによる追試により、常温・常圧超電導物質ではないこと、および、常温・常圧超電導物質と思わせるような振る舞いをした理由が、わずか2週間強で判明した。

決定打となったのは、以下の中国の2つの論文。

１．First order transition in Pb10－xCux(PO4)6O (0.9<x<1.1) containing Cu2S　

　　　by Shilin Zhu, Wei Wu, Zheng Li, Jianlin Luo (Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics and Institute of Physics )

２．Ferromagnetic half levitation of LK-99-like synthetic samples　

　　　by Kaizhen Guo, Yuan Li, Shuang Jia（Peking University）

論文1 では純粋なPb_10−xCu_x(PO₄)₆Oで追試したところ、転移温度以下でのゼロ抵抗は観測されなかったとしている。

報告のLK-99は純粋なPb_10−xCu_x(PO₄)₆O に不純物のCu₂Sが混じっており、CU₂S（硫化銅）は、385K付近で相転移を起こし、それ以下の温度で電気抵抗が大きく下がるが（ただし、ゼロではない）、論文の研究者たちはそれを超電導と勘違いしたと結論付けている。

論文2でも、粉末X線回折により不純物のCu₂Sが含まれていることを確認している。

そして、一部の小さな薄片状の断片では、Nd₂Fe₁₄B磁石（ネオジム磁石）の上で「ハーフ浮上」と呼ばれる現象を成功裏に観察した。この小さな断片と浮上しなかった大きな断片における磁化測定を使用して、サンプルが弱いながらも明確な軟強磁性成分を普遍的に含んでいることが分かった。

小さな断片の顕著な形状異方性と共に、軟強磁性が強力な垂直磁場中で観察されるハーフ浮上を説明するのに十分であると考える。

論文２の研究者のサンプルにはメイスナー効果や零抵抗の存在は示されておらず、超伝導を示していないと考える。

ちなみに、LK-99が超電導物質であれば、完全に浮いて、空中にピン留めされるはずだが、その現象は、元の論文でも観測されていない。磁石の上を浮遊する本物の超伝導体は、空中でクルクル回転させることが可能で、逆さまに保持することさえできる。

また、アメリカとヨーロッパの研究者による別の研究では、実験的証拠と理論的証拠を組み合わせて、LK-99が超伝導体として実現不可能なものであることが実証された。さらに、別の研究グループはLK-99のサンプルを合成し、この物質が超伝導体ではなく絶縁体であることを証明した。

なお、これら2つの論文を含め、追試論文の大半が中国の研究者によるものであるという。中国全体がこの手の基礎研究に大きな力を注いでいることが分かる。