[논문 리뷰] Absence of superconductivity in LK-99 at ambient conditions

Kapil Kumar, N. K. Karn외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 07.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 이전 연구에서 제안한 최적화된 원료 및 방법을 사용하여 광범위한 합성, X선 회절, SQUID 자화도 측정 및 최초 원리 전자 구조 계산을 통해 상온 조건에서 상순수 LK-99에 초전도성의 부재를 확인한다. 다결정성 LK-99를 성공적으로 합성하여 apatite 구조를 확보하였지만, 초전도 전이 또는 Meissner 유사 부상 현상은 관측되지 않았으며, 280 K에서의 반자성 거동은 고온 초전도성의 가능성을 배제한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이전 연구에서 제안한 최적화된 원료 및 절차를 사용하여 상순수 LK-99를 합성하는 것.
• 고해상도 파우더 X선 회절(PXRD) 및 Rietveld 보정을 통해 합성된 LK-99의 구조적 정합도를 확인하는 것.
• 상온에서 SQUID 자화도 측정을 통한 자기 측정을 통해 초전도성 거동을 검증하는 것.
• 전자 밴드 구조를 프리미티브 원리 계산을 통해 패리 에너지 수준 근처에서 분석하여 강한 전자 상호작용 및 초전도성 잠재력 평가.
• LK-99의 초전도성 특성에 대한 모순된 보고를 해결하기 위해 재현 가능하고 고정밀도의 실험 데이터를 제공하는 것.

제안 방법

• Sukbae Lee 등 [1,2]가 제안한 개선된 원료 및 절차를 사용하여 LK-99를 합성하였다.
• 합성된 시료에 대해 파우더 X선 회절(PXRD)을 실시하고, Rietveld 보정을 통해 상 순도 및 apatite 구조를 확인하였다.
• 280 K에서 자장이 없는 상태와 자장을 가동한 상태에서 SQUID 자화도 측정을 실시하여 초전도 전이 또는 Meissner 효과를 탐지하였다.
• Fermi 수준 근처의 밀도 상태 및 밴드 분산을 분석하기 위해 최초 원리 전자 구조 계산을 수행하였다.
• 계산된 밴드 구조에서 Fermi 수준을 가로지르는 밴드를 점검하여 전자 상호작용 효과의 존재를 분석하였다.
• 실험 결과를 이전 보고와 비교하여 재현성 평가 및 초전도성 주장의 이질성 해결

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상온 조건에서 높은 구조적 정밀도를 갖는 상순수 LK-99를 합성할 수 있는가?
• RQ2 합성된 LK-99는 상온에서 반자성 또는 Meissner 효과와 같은 초전도성의 징후를 보이는가?
• RQ3 Fermi 수준 근처에서 LK-99의 전자 밴드 구조는 무엇이며, 강한 전자 상호작용 또는 초전도성 쌍화를 지원하는가?
• RQ4 통제된 고순도 합성 조건에서 LK-99의 보고된 초전도 전이가 재현 가능한가?
• RQ5 이론적 예측에 따르면 전자 상호작용이 존재하지만, 초전도성이 관측되지 않는 이유를 최초 원리 계산으로 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 고해상도 PXRD 및 Rietveld 보정을 통해 apatite 구조를 갖는 상순수 다결정성 LK-99가 성공적으로 합성되었음을 확인하였다.
• 자기장에 노출된 합성된 LK-99 시료에서 초전도 전이 또는 Meissner 유사 부상 현상은 관측되지 않았다.
• 280 K에서의 SQUID 자화도 측정 결과, 초전도 전이의 증거 없이 오직 반자성 반응만 나타났으며, 저저항 또는 자속 추출의 증거는 없었다.
• 최초 원리 계산 결과, Fermi 수준을 가로지르는 밴드가 존재하여 강한 전자 상호작용이 있음을 나타냈지만, 초전도성 쌍화는 관측되지 않았다.
• 전자 상호작용과 구조적 순도가 존재하는 바에도 불구하고 초전도성 부재가 지속되었으며, 이는 이전 보고와 정면으로 배치된다.
• 이 연구는 LK-99의 고온 초전도성 주장에 대한 재현 가능하고 고정밀도의 실험 데이터를 제공한다.