[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究通过严格的合成工艺、X射线衍射分析、SQUID磁力测量以及第一性原理电子结构计算，证实了在常温常压条件下相纯LK-99中不存在超导性。尽管成功合成了具有羟基apatite结构的多晶LK-99，但未观察到超导转变或类似迈斯纳效应的悬浮现象，且在280 K时表现出的抗磁性排除了室温超导的可能性。

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.

研究动机与目标

• 使用先前研究中推荐的优化前驱体和工艺路线，合成相纯的LK-99。
• 通过高分辨率粉末X射线衍射（PXRD）和Rietveld精修验证合成LK-99的结构完整性。
• 利用室温下的SQUID磁力测量技术检测超导行为。
• 研究费米能级附近的电子能带结构，评估强电子关联和超导配对的潜力。
• 通过提供可重复、高保真的实验数据，解决关于LK-99超导性质的相互矛盾报告。

提出的方法

• 根据Sukbae Lee等人[1,2]的建议，采用改进的前驱体和工艺路线合成LK-99。
• 对合成样品进行粉末X射线衍射（PXRD）分析，并通过Rietveld精修确认相纯度和apatite结构。
• 在280 K下进行零场冷却和场冷却SQUID磁力测量，以检测超导转变或迈斯纳效应。
• 通过第一性原理电子结构计算，分析费米能级附近的态密度和能带色散。
• 通过检查计算得到的能带在费米能级附近的交叉情况，分析电子关联效应的存在。
• 将实验结果与先前报道进行对比，评估可重复性并解决关于超导性声明的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在常温常压条件下，能否以高结构保真度合成相纯的LK-99？
• RQ2 合成的LK-99在室温下是否表现出任何超导性特征，例如抗磁性或迈斯纳效应？
• RQ3 LK-99在费米能级附近的电子能带结构如何？是否支持强电子关联或超导配对？
• RQ4 在受控的高纯度合成条件下，LK-99的报告超导转变是否可重复？
• RQ5 第一性原理计算能否解释尽管存在理论预测的电子关联，却仍无超导性的原因？

主要发现

• 成功合成了具有羟基apatite结构的相纯多晶LK-99，经高分辨率PXRD和Rietveld精修确认。
• 在施加磁场时，合成的LK-99样品中未观察到超导转变或类似迈斯纳效应的悬浮现象。
• 280 K下的SQUID磁力测量仅显示抗磁响应，无零电阻或磁通排斥的证据。
• 第一性原理计算显示能带穿过费米能级，表明存在强电子关联，但未观察到超导配对。
• 尽管存在电子关联和结构纯度，超导性仍不存在，与早期报告相矛盾。
• 本研究提供了可重复、高保真的实验数据，否定了LK-99存在室温超导性的说法。