[論文レビュー] On the Experimental Evidence for Possible Superconductivity in LK99

Harishchandra Singh, A. Gautam+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2023

Physics of Superconductivity and MagnetismPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、銅およびニッケルドーピングを施した鉛アパタイト化合物を合成することで、LK-99における常温超伝導の主張を検証した。Cu2S不純物が存在するにもかかわらず、輸送および磁化測定の結果、絶縁体的挙動、フラックス排出なし、常磁性応答が観察され、超伝導の証拠は得られず、以前の常温浮上および零抵抗の報告とは矛盾する。

ABSTRACT

The desire to create an energy efficient world is bound to be incomplete without the discovery of a room temperature superconductor at ambient pressure. A recent report on the room-temperature ambient-pressure superconductor has inspired scientists to study the Cu doped Lead apatite named as LK-99. Here, we have synthesized Cu doped LK-99 and Ni-doped LK-99 compounds and studied their temperature dependent transport and magnetization behavior. In spite of the presence of impurity phase Cu$_2$S, the temperature dependent resistance shows an insulating nature of the sample. The radio frequency penetration depth measurement unveils the absence of diamagnetic flux expulsion in this sample. The temperature dependent ac susceptibility measurements reveal the paramagnetic nature of the Ni doped LK-99.

研究の動機と目的

• 制御された合成と包括的な特性評価を通じて、LK-99における報告された常温超伝導の真偽を検証すること。
• LK-99における観察された電気的および磁気的応答が、超伝導性ではなく、Cu2Sなどの不純物相に起因するものかどうかを特定すること。
• 銅およびニッケルドーピングが鉛アパタイトにおける超伝導性を誘発する役割を評価すること。
• 真の超伝導性を同定するための厳密な実験的基準（抵抗率1 µV/cm未満、抗磁性フラックス排出、ZFC/FC分離）を適用すること。

提案手法

• 725–925 °Cでの高温反応を用いて、PbSO4、Cu3P、Ni3P、およびランカークサイトの前駆体を固体状態で合成した。
• 真空中で24時間、925 °CでランカークサイトとCu3PまたはNi3Pを反応させることで、銅およびニッケルドーピングを施した鉛アパタイトを密封管法で合成した。
• ブルカーD8アドバンス型デジタル回折計を用いた粉末X線回折（PXRD）により、相純度の確認およびCuやCu2Sなどの不純物の同定を行った。
• 150 Kから300 Kまでの温度依存的抵抗率測定により、金属的または絶縁体的挙動の評価を行った。
• トンネルダイオードオシレーター法を用いて、高周波透過深さを測定し、抗磁性フラックス排出の有無を検出する。
• ニッケルドーピングされたLK-99における交流磁化率測定により、磁気転移を調べ、超伝導的応答と常磁性応答を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銅ドーピングを施した鉛アパタイト（LK-99）は、常圧および常温で真の超伝導性を示すか？
• RQ2 LK-99における報告された磁気浮上および零抵抗挙動は、超伝導性に起因するのか、それともCu2Sなどの不純物相に起因するのか？
• RQ3 広い温度範囲にわたり、LK-99およびニッケルドーピングされたLK-99における電気的輸送および磁気的応答の性質は何か？
• RQ4 抵抗率、透過深さ、交流磁化率といった実験的シグネチャが、超伝導転移の存在をどの程度支持するか？

主な発見

• LK-99の温度依存的抵抗率は、150 Kから300 Kの間で指数関数的に減少しており、金属的または超伝導的伝導ではなく、絶縁体的挙動を示している。
• 250–300 Kの範囲で測定された透過深さは、周波数の顕著なシフトを示さず、抗磁性フラックス排出が認められないことから、超伝導性は排除される。
• ニッケルドーピングされたLK-99における交流磁化率測定では、温度上昇に伴い線形に減少する傾向が確認され、超伝導転移ではなく常磁性応答であることが確認された。
• PXRD分析により、銅ドーピングされたLK-99サンプルにCu2Sおよび未反応のCuが不純物として存在することが確認され、これらが誤った電気的および磁気的応答を引き起こす可能性がある。
• ZFC/FC分離の欠如および1 µV/cm未満の抵抗率基準を満たさないことも、合成されたサンプルにおける超伝導性の否定的証拠となった。
• 理論的予測では銅ドーピングによりフラットバンドと増強されたクーロン相互作用が予想されるが、ボリューム超伝導の証拠は観察されなかった。