[论文解读] Ferromagnetic half levitation of LK-99-like synthetic samples

Kaizhen Guo, Yuan Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本研究通过固相烧结法合成类LK-99陶瓷样品，表明观察到的“半悬浮”现象并非源于超导性，而是由于薄片状碎片中的软铁磁性与形状各向异性共同作用所致。磁化率测量显示存在微弱但一致的铁磁成分，而电阻率数据则表现出半导体行为，否定了室温超导性的说法。

ABSTRACT

We successfully synthesized polycrystalline LK-99-like ceramic samples with a solid-state-sintering method. Powder X-ray diffraction shows that the main contents are $\mathrm{Pb_{10-x}Cu_x(PO_4)_6O}$ and $\mathrm{Cu_2S}$, consistent with recent reports [arXiv:2307.12037; arXiv:2308.01192]. In some small flaky fragments, we successfully observed ``half levitation'' atop a $\mathrm{Nd_2Fe_{14}B}$ magnet. Using magnetization measurements on such small pieces, as well as on a large piece which does not exhibit the half levitation, we show that the samples ubiquitously contain weak yet definitive soft ferromagnetic components. We argue that, together with the pronounced shape anisotropy of the small fragments, the soft ferromagnetism is sufficient to explain the observed half levitation in strong vertical magnetic fields. Our measurements do not indicate the presence of the Meissner effect, nor zero resistance, in our samples, leading us to believe that our samples do not exhibit superconductivity. The precise chemical composition and the physics behind the ferromagnetic component remain outstanding questions to be addressed in future research.

研究动机与目标

• 通过固相烧结法重现类LK-99样品并验证其化学组成。
• 研究在强永久磁体存在下，常温条件下报告的“半悬浮”现象的成因。
• 确定观察到的悬浮是否源于超导性（迈斯纳效应）或其他磁现象。
• 在不假设超导行为的前提下，测量并表征合成样品的磁学与电学性质。
• 明确半悬浮现象是否由抗磁性、铁磁性或形状各向异性效应引起。

提出的方法

• 采用铅硫酸盐和铜掺杂的磷酸盐前驱体，在高温下通过固相烧结法合成多晶类LK-99样品。
• 粉末X射线衍射与能谱分析确认了Pb10-xCux(PO4)6O和Cu2S为主要相。
• 在100 K下对大块与小块碎片分别进行磁场依赖性磁化率测量，以区分磁响应。
• 通过电阻率测量评估电输运行为，并排除超导特征。
• 通过对比高度各向异性的薄片状碎片（S3）与更各向同性的样品块（S2）的悬浮行为，分析形状各向异性效应。
• 进行拖拽实验以证明样品与磁体之间存在净磁吸引力，从而证实其磁扭矩源于铁磁性。

实验结果

研究问题

• RQ1 类LK-99样品中观察到的半悬浮现象是否源于迈斯纳效应，或源于其他磁现象？
• RQ2 类LK-99样品的磁响应性质为何——抗磁性、铁磁性还是顺磁性？
• RQ3 半悬浮现象能否通过薄片状碎片中的形状各向异性和铁磁取向来解释？
• RQ4 样品的电导率是否表现出超导性或半导体行为的特征？
• RQ5 Pb-Cu-P-O体系中软铁磁性组分的化学起源是什么？

主要发现

• 粉末X射线衍射证实Pb10-xCux(PO4)6O和Cu2S为主要相，与先前报道一致。
• 磁化率测量显示普遍存在微弱的软铁磁性成分，表现为小回线，即使在未出现半悬浮的样品中亦然。
• 在薄片状碎片S3中，10 Oe处的抗磁信号迅速被高场下的铁磁响应所掩盖，表明铁磁性占主导。
• 半悬浮现象归因于沿长轴的铁磁取向产生的磁扭矩，而非净悬浮力。
• 拖拽实验证实样品与磁体之间存在净磁吸引力，支持其起源于铁磁性而非迈斯纳效应。
• 电导率测量显示半导体行为，未见零电阻或超导转变的证据。