K-99는 초전도체가 아니다 — 과학 탐정이 미스터리를 푸는 방법

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LK-99는 초전도체가 아니다 — 과학 탐정이 미스터리를 푸는 방법

복제는 재료가 초전도와 유사한 동작을 나타내는 이유에 대한 퍼즐을 맞추었습니다.

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독일 슈투트가르트에 있는 막스 플랑크 고체 연구 연구소 팀이 합성한 LK-99의 순수한 결정체. 크레딧: Pascal Puphal

연구원들은 LK-99의 수수께끼를 풀었던 것 같습니다. 과학적 탐정 작업을 통해 물질이 초전도체가 아니라는 증거를 발굴하고 실제 특성을 명확히 했습니다.

결론은 구리, 납, 인 및 산소의 화합물인 LK-99가 상온 및 주변 압력에서 작동하는 최초의 초전도체 발견을 표시하기를 희망합니다. 대신, 연구에 따르면 재료의 불순물, 특히 황화구리가 전기 저항의 급격한 감소와 자석 위의 부분 부상의 원인이 되었으며, 이는 초전도체가 나타내는 특성과 유사해 보였습니다.

캘리포니아 대학교 데이비스의 응축 물질 실험자인 Inna Vishik은 "이 시점에서 상황이 꽤 결정적으로 해결되었다고 생각합니다."라고 말합니다.

주장된 초전도체 LK-99는 온라인 센세이션이지만 복제 노력은 부족합니다.

LK-99 이야기는 서울의 스타트업 기업인 양자에너지연구센터의 이석배와 김지훈이 이끄는 팀이 LK-99가 초전도체라고 주장하는 프리프린트 1, 2를 발표한 7월 말 에 시작 되었습니다 . 정상 압력 및 온도에서 최소 127ºC(400켈빈)까지. 이전에 확인된 모든 초전도체는 극한의 온도와 압력에서만 기능합니다.

이 특별한 주장은 과학에 관심이 있는 대중과 연구자들의 관심을 빠르게 끌었고, 그들 중 일부는 LK-99를 복제하려고 시도했습니다. 초기 시도는 상온 초전도의 징후를 보지 못했지만 결정적이지는 않았습니다. 이제 수십 번의 복제 노력 끝에 많은 전문가들은 LK-99가 상온 초전도체가 아니라는 증거가 있다고 자신 있게 말하고 있습니다. (Lee와 Kim의 팀은 Nature 의 논평 요청 에 응답하지 않았습니다 .)

축적된 증거

한국 팀은 LK-99의 두 가지 특성인 자석 위의 공중 부양과 저항의 급격한 감소에 근거하여 주장했습니다. 그러나 베이징에 있는 별도의 팀인 Peking University 3 과 Chinese Academy of Sciences 4 (CAS)는 이러한 현상에 대한 일상적인 설명을 찾았습니다.

미국과 유럽 연구자들이 수행한 또 다른 연구 5 에서는 LK-99의 구조가 어떻게 초전도성을 불가능하게 만들었는지를 입증하기 위해 실험적 및 이론적 증거를 결합했습니다. 그리고 다른 실험자들은 LK-99의 순수한 샘플 6을 합성하고 연구 하여 물질의 구조에 대한 의심을 지우고 초전도체가 아니라 절연체임을 확인했습니다.

유일한 추가 확인은 샘플을 공유하는 한국 팀에서 나올 것이라고 호주 멜버른에 있는 Monash University의 물리학자인 Michael Fuhrer는 말합니다. "다른 모든 사람들을 설득해야 하는 부담은 그들에게 있습니다."라고 그는 말합니다.

아마도 LK-99의 초전도성에 대한 가장 놀라운 증거는 자석 위에서 흔들리는 은빛 물질의 동전 모양 샘플을 보여주는 한국 팀이 찍은 비디오 일 것입니다. 연구팀은 재료가 자기장을 방출하는 초전도성의 특징인 마이스너 효과 때문에 샘플이 공중에 뜨고 있다고 말했다. LK-99 공중부양에 대한 확인되지 않은 여러 비디오가 이후 소셜 미디어에 유포되었지만 처음에 발견을 복제하려고 시도한 연구원 중 누구도 공중부양을 관찰하지 못했습니다.

반쯤 구운 부상

매사추세츠 주 케임브리지에 있는 하버드 대학의 전 응축 물질 연구원인 Derrick van Gennep은 현재 금융 분야에서 일하고 있지만 LK-99에 흥미를 느꼈습니다. 영상에서 샘플의 같은 모서리가 자석에 달라붙는 것 같았고, 섬세하게 균형이 잡혀 있는 것 같았습니다. 대조적으로, 자석 위로 부상하는 초전도체는 회전할 수 있고 심지어 거꾸로 들고 있을 수도 있습니다. "LK-99 비디오에서 본 것과 같은 행동은 없습니다."라고 van Gennep은 말합니다.

그는 LK-99의 특성이 강자성의 결과일 가능성이 더 높다고 생각했습니다. 그래서 그는 압축된 흑연 부스러기 조각에 철가루를 붙인 펠릿을 만들었습니다. Van Gennep이 만든 비디오 는 비초전도성 강자성 재료로 만든 그의 디스크가 LK-99의 동작을 모방했음을 보여줍니다.

8월 7일, 베이징 대학 팀은 강자성 때문에 LK-99 샘플에서 이 "반부양"이 나타났다고 보고했습니다. 응집 물질 물리학자이자 연구 공동 저자인 Yuan Li는 "그것은 정확히 철 파일링 실험과 같습니다."라고 말합니다. 펠릿은 들어 올리는 힘을 경험하지만 공중에 뜨기에는 충분하지 않습니다. 한쪽 끝에서 균형을 잡기에 충분합니다.

Li와 그의 동료들은 샘플의 저항률을 측정했고 초전도성의 징후를 발견하지 못했습니다. 그러나 그들은 한국 팀이 본 급격한 비저항 저하를 설명할 수 없었다.

불순한 샘플

프리프린트에서 한국 저자들은 LK-99의 저항이 약 0.02ohm-cm에서 0.002ohm-cm로 10배 감소한 특정 온도에 주목했습니다. “그들은 그것에 대해 매우 정확했습니다. 104.8ºC"라고 일리노이 대학교 어바나-섐페인 대학의 화학자인 Prashant Jain은 말합니다. "잠시만요, 이 온도를 압니다."

LK-99를 합성하는 반응은 불균형한 레시피를 사용합니다. 즉, 구리 도핑된 인산납 결정(순수한 LK-99) 1부가 만들어질 때마다 구리 17부와 황 5부가 생성됩니다. 이러한 잔여물은 특히 한국 팀이 샘플에서 보고한 황화구리와 같은 수많은 불순물로 이어집니다.

구리-황화물 전문가인 Jain은 Cu 2 S가 상전이를 겪는 온도로 104ºC를 기억했습니다 . 그 온도 이하에서는 공기에 노출된 Cu 2 S 의 저항률이 급격히 떨어집니다. 이는 LK-99의 알려진 초전도 상전이와 거의 동일한 신호입니다. "나는 그들이 그것을 놓쳤다는 것을 거의 믿을 수 없었습니다." Jain은 중요한 교란 효과에 대한 프리프린트 7을 발표했습니다.

8월 8일, CAS 팀은 LK-99에서 Cu 2 S 불순물의 영향에 대해 보고했습니다. CAS 물리학자인 Jianlin Luo는 “Cu 2 S의 다른 함량은 다른 프로세스를 사용하여 합성될 수 있습니다. 연구원들은 두 개의 샘플을 테스트했습니다. 진공 상태에서 가열된 첫 번째 샘플은 Cu 2 S 함량이 5% 이고 두 번째 샘플은 Cu 2 S 함량이 70%였습니다.

첫 번째 샘플의 저항은 냉각됨에 따라 비교적 순조롭게 증가했으며 다른 복제 시도의 샘플과 유사하게 나타났습니다. 그러나 두 번째 샘플의 비저항은 112ºC(385K) 근처로 떨어졌으며 이는 한국 팀의 관찰과 거의 일치합니다.

Fuhrer는 "그때 제가 '음, 분명히 그것이 그들이 이것이 초전도체라고 생각하게 만든 것입니다'라고 말한 순간이었습니다."라고 말했습니다. "관에 박힌 못은 황화구리였습니다."

LK-99의 특성에 대해 결정적인 진술을 하는 것은 재료가 까다롭고 샘플에 다양한 불순물이 포함되어 있기 때문에 어렵습니다. Li는 "우리 자체 성장에도 불구하고 다른 배치는 약간 다를 것입니다."라고 말합니다. 그러나 Li는 LK-99가 주변 조건에서 초전도체인지 여부를 확인하는 데 원본에 충분히 가까운 샘플이면 충분하다고 주장합니다.

맑은

저항률 저하 및 반부양에 대한 강력한 설명으로 커뮤니티의 많은 사람들은 LK-99가 상온 초전도체가 아니라고 확신했습니다. 그러나 미스테리는 남아있었습니다. 즉, 재료의 실제 속성은 무엇입니까?

LK-99의 구조를 예측하기 위해 밀도 함수 이론(DFT)이라는 접근 방식을 사용한 초기 이론적 시도는 '플랫 밴드'라는 흥미로운 전자 서명을 암시했습니다. 이들은 전자가 천천히 이동하고 강하게 상관될 수 있는 영역입니다. 경우에 따라 이 동작은 초전도성을 유발합니다. 그러나 이러한 계산은 LK-99의 구조에 대한 확인되지 않은 가정을 기반으로 한 것입니다.

재료를 더 잘 이해하기 위해 미국-유럽 그룹 5 는 LK-99의 구조를 계산하기 위해 샘플의 정밀 X선 이미징을 수행했습니다. 결정적으로 이미징을 통해 플랫 밴드의 상황을 명확히 하는 엄격한 계산을 수행할 수 있었습니다. 플랫 밴드는 초전도성에 도움이 되지 않았습니다. 대신, LK-99의 플랫 밴드는 초전도체가 요구하는 방식으로 '홉'할 수 없는 강력하게 국부화된 전자에서 나왔습니다.

8월 14일, 독일 슈투트가르트에 있는 막스 플랑크 고체 연구 연구소(Max Planck Institute for Solid State Research)의 별도 팀은 LK-99의 순수 단결정 합성 6개 를 보고했습니다. 도가니에 의존했던 이전의 합성 시도와 달리 연구원들은 부동 영역 결정 성장이라는 기술을 사용하여 반응에 황을 도입하지 않도록 하여 Cu 2 S 불순물을 제거했습니다.

그 결과 순수한 LK-99 또는 Pb 8.8 Cu 1.2 P 6 O 25와 같은 투명한 자주색 결정이 생성되었습니다 . 불순물과 분리된 LK-99는 초전도체가 아니라 수백만 옴의 저항을 가진 절연체입니다. 표준 전도도 테스트를 실행하기에는 너무 높습니다. 약간의 강자성 및 반자성을 나타내지만 부분적인 부양에도 충분하지 않습니다. "따라서 우리는 초전도성의 존재를 배제합니다."라고 팀은 결론지었습니다.

연구팀은 LK-99에서 보이는 초전도성의 힌트는 결정에 없는 Cu 2 S 불순물에 기인한다고 제안합니다. 연구를 이끈 막스 플랑크 물리학자이자 결정 성장 전문가인 파스칼 푸팔(Pascal Puphal)은 “이 이야기는 단결정이 필요한 이유를 정확히 보여주고 있다”고 말했다. "단결정이 있으면 시스템의 고유한 특성을 명확하게 연구할 수 있습니다."

교훈

많은 연구자들이 여름의 초전도 감각에서 배운 것을 반영하고 있습니다.

평면 밴드 연구를 공동 저술한 뉴저지 프린스턴 대학의 고체 화학자 Leslie Schoop에게 조기 계산에 대한 교훈은 분명합니다. "LK-99 이전에도 DFT를 어떻게 조심해야 하는지에 대해 이야기해 왔으며 이제 다음 여름 학교를 위한 최고의 이야기를 갖게 되었습니다."라고 그녀는 말합니다.

Jain은 오래되고 종종 간과되는 데이터의 중요성을 지적합니다. Cu 2 S 의 비저항에 대해 그가 의존했던 중요한 측정값은 1951년에 발표되었습니다.

일부 해설자들은 LK-99 사가를 과학의 재현성 모델로 지적하는 반면, 다른 이들은 이것이 주목할만한 퍼즐의 비정상적으로 빠른 해결이라고 말합니다. Fuhrer는 "종종 이러한 것들은 소문일 뿐이고 아무도 그것을 재현할 수 없는 매우 느린 죽음으로 죽어갑니다."라고 말합니다.

1986년 산화구리 초전도체가 발견되었을 때 연구자들은 그 특성을 조사하기 위해 뛰어들었습니다. 그러나 거의 40년이 지난 지금도 재료의 초전도 메커니즘에 대한 논쟁이 있다고 Vishik은 말합니다. LK-99를 설명하려는 노력은 쉽게 찾아왔다. "원래 관찰의 모든 조각을 마무리하는 탐정 작업 - 정말 환상적이라고 생각합니다."라고 그녀는 말합니다. "그리고 그것은 비교적 드문 일입니다."

도이: https://doi.org/10.1038/d41586-023-02585-7

참조

1. Lee, S. et al. arXiv https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.12037(2023 )에서 사전 인쇄.

2. Lee, S. et al. arXiv https://doi.org/10.4855arXiv.2307.12008(2023 )에서 사전 인쇄.

3. Guo, K., Li, Y. & Jia, S. Sci. 중국 물리학 기계 아스트론 . https://doi.org/10.1007/s11433-023-2201-9 (2023).

   기사 구글 스칼라 

4. Zhu, S. et al. arXiv https://arxiv.org/abs/2308.04353(2023 )에서 사전 인쇄.

5. Jiang, Y. et al. arXiv https://arxiv.org/abs/2308.05143(2023 )에서 사전 인쇄.

6. Puphal, P. et al. arXiv https://arxiv.org/abs/2308.06256(2023 )에서 사전 인쇄.

7. Jain, P. arXiv의 프리프린트 https://arxiv.org/abs/2308.05222 (2023).

참조 다운로드

https://doi.org/10.1038/d41586-023-02585-7