[論文レビュー] Absence of superconductivity in LK-99 at ambient conditions

Kapil Kumar, N. K. Karn+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、精密な合成、X線回折、SQUID磁化率測定、および第一原理電子状態計算を通じて、常温常圧下における相純粋な LK-99 に超伝導性が存在しないことを確認した。多結晶 LK-99 をアパタイト構造で合成できたが、超伝導転移やミッシャー効果に類似した浮上現象は観察されず、280 K での抗磁性挙動は常温超伝導性を否定する。

ABSTRACT

The report of synthesis of modified Lead apatite (LK-99) with evidence of superconductivity at more than boiling water temperature has steered the whole scientific community. There have been several failures to reproduce superconductivity in LK-99 including partial successes. Here, we have continued our efforts to synthesize phase pure LK-99 with improved precursors. The process has been followed as suggested by Sukbae Lee et. al., [1,2]. The phase purity of each precursor is evidenced by Powder X-ray diffraction (PXRD) and well fitted by Rietveld refinement. The PXRD confirms the synthesis of phase pure polycrystalline LK-99 with apatite structure. The freshly synthesized sample does not show any signature of superconductivity levitation on a magnet (diamagnetism). The magnetization measurements on SQUID also show that LK-99 is diamagnetic at 280 K, there is no sign of superconductivity in LK-99 at room temperature. Moreover, we have also performed first principle calculations to investigate the electronic band structure of the LK-99 near Fermi level. Our study verifies that the Cu doped lead apatite (LK-99) has bands crossing at Fermi level, indicating generation of strong correlation in the system.

研究の動機と目的

• 先行研究で提案された最適化された前駆体およびプロトコルを用いて、相純粋な LK-99 の合成を目的とする。
• 高分解能粉末X線回折(PXRD)およびリエーテベルド精査を用いて、合成された LK-99 の構造的完全性を検証すること。
• 常温での磁気測定をSQUID磁化率計を用いて行い、超伝導性の有無を検証すること。
• フェルミ準位近傍の電子バンド構造を調査し、強い電子相関や超伝導性の可能性を評価すること。
• 矛盾する LK-99 の超伝導性に関する報告を解消するため、再現性があり高精度な実験データを提供すること。

提案手法

• Sukbae Lee らの報告[1,2]に従い、改良された前駆体およびプロトコルを用いて LK-99 を合成した。
• 合成試料に対して粉末X線回折(PXRD)を実施し、リエーテベルド精査を用いてデータを精査することで、相純度およびアパタイト構造の確認を行った。
• 280 K でゼロ磁場冷却および磁場冷却の SQUID 磁化率測定を実施し、超伝導転移またはミッシャー効果の有無を検出することを目的とした。
• フェルミ準位近傍の状態密度およびバンド分散を調べるために、第一原理電子状態計算を実施した。
• 計算されたバンド構造におけるフェルミ準位を通過するバンドの観察を通じて、電子相関効果の有無を分析した。
• 実験結果を先行研究と比較し、超伝導性に関する主張の再現性と矛盾の解消を図った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 常温常圧下で、高い構造的忠実性を有する相純粋な LK-99 を合成できるか？
• RQ2 合成された LK-99 は常温で、抗磁性またはミッシャー効果に類する兆候を示すか？
• RQ3 LK-99 のフェルミ準位近傍の電子バンド構造はどのようなものであり、強い電子相関や超伝導ペアリングを支持するか？
• RQ4 制御された高純度合成条件下で、LK-99 の報告された超伝導転移は再現可能か？
• RQ5 第一原理計算は、電子相関の理論的予測があるにもかかわらず、超伝導性の欠如を説明できるか？

主な発見

• 高分解能 PXRD およびリエーテベルド精査により、アパタイト構造を有する相純粋な多結晶 LK-99 が正常に合成されたことが確認された。
• 磁場にさらされた合成 LK-99 サンプルにおいて、超伝導転移やミッシャー効果に類似した浮上現象は観察されなかった。
• 280 K での SQUID 磁化率測定では、抗磁性反応しか示されず、零抵抗性やフラックス排出の証拠は認められなかった。
• 第一原理計算により、フェルミ準位を通過するバンドが確認され、強い電子相関が示唆されたが、超伝導ペアリングは観察されなかった。
• 電子相関および構造的純度が存在するにもかかわらず、超伝導性の欠如が継続しており、以前の報告とは矛盾する。
• 本研究は、常温超伝導性に関する主張を裏付ける再現性があり高精度な実験データを提供した。