LK-99は結局超伝導体なのか？新たな研究と更新された特許がそれを裏付ける

（画像クレジット：Shutterstock (2347353021)）

今月初め、科学界は画期的な発見の可能性をめぐるニュースで沸き立ちました。それは、室温超伝導体とされるLK-99と呼ばれる物質です。高麗大学のイ・スクベ氏とキム・ジフン氏によって発見されたこの物質は、宣伝通りの性能を発揮すれば、電力供給からスーパーコンピューターまで、あらゆる分野に革命をもたらすでしょう。しかし、多くの科学者がイ氏とキム氏の研究結果を再現しようと試みたものの失敗に終わったため、世界は別の方向へ進んでしまったようです。

しかし、超伝導体分野は急速に変化しています。新たに発表されたプレプリントの理論研究は、概ねLK-99が超伝導体となるために必要な特性を有することを支持しています。そして今、インターネットの探偵たちは、LK-99の元の特許に関する韓国語版の最新情報を発見しました。この文書は、合成プロセスに関する更なる詳細（そして新たな疑問）を提示するとともに、元の韓国人著者らが自らの発見の重要性（そして真実性）を再確認しています。

残念ながら、LK-99の全体像はまだ不完全であり、一部の人々が信じるよりもはるかに多くの理解が必要となるようです。しかし、論文には必要なもの、つまりLK-99の電気抵抗率をプロットしたグラフが掲載されています。重要なのは、グラフによれば電気抵抗率はゼロまで低下するということです。

特許更新の図 — 上のグラフは、超伝導体において一般的に予想される特性、すなわち相転移臨界温度（Tc）付近での抵抗率の急激な低下を示しています。もちろん、グラフを描くのは簡単ですが、そのグラフに至る結果を再現するのは困難です。（画像クレジット：Lee Sukbae et al）

まず、更新された特許自体から見ていきましょう。そこには、LK-99に含まれる重要な超伝導部分を合成するための2つの技術が説明されています。そのうちの1つは、私たちが既に知っている技術です。固体合成法は、インターネット上で私たちが追ったプロセスであり、元の論文の非常にまずいレシピを再現しようとするほとんどの科学者が用いている方法です。この方法では、LK-99内の様々な化合物を反応させて、結晶状の最終化合物である銅ドープ鉛アパタイト（ラナーカイトとリン化銅を混合したもので、それぞれ酸化鉛と硫化鉛、銅とリンの反応から作られます）を得ます。

実際のレシピには既に多くの問題がありましたが、更新された特許では、混合物に突然Si（私たちがよく知っているシリコン）が含まれることで、方程式に新たな支障が生じています。また、シリコンがどのようにしてそこに存在するのか、そして超伝導自体にどれほど関連しているのか（そもそも関連しているかどうかは別として、現時点では関連していないように見えます）も不明です。Lee Sukbae率いる元の韓国チームが適切な資料を提供できないというパターンがあるようです。公平を期すために言うと、重要な詳細が機械翻訳の深淵、あるいは彼らがすべてをまとめ上げたように見えるスピードの中で失われている可能性もあります。

同時に、著者らは、確かに結果として得られる鉛アパタイト化合物は典型的には絶縁体である（電流が流れるのを妨げるが、ここで達成しようとしていることと正反対である）と認めている。しかし、彼らはまた、LK-99内で鉛原子を銅原子に置き換えることにつながる銅ドーピングが、主張されている超伝導能力を解き放つ鍵であることも繰り返し述べている（酸素原子も重要なようだ）。この可能性と、収率（合成プロセスで生成される超伝導材料の割合）の問題については、すでにここで詳細に取り上げている。更新された特許によると、リーのチームは、超伝導鉛アパタイト48.9％、非超伝導鉛化合物40％、銅化合物（11.1％）の比率のサンプルを確認した。

超伝導化合物と非超伝導化合物の共存は、特定の LK-99 インターネットビデオ (正規の LK-99 の場合) でフラックスピンニングと呼ばれる現象が紹介された理由である可能性があります。フラックスピンニングでは、外部磁場が超伝導化合物の超伝導でない部分 (鉛アパタイト以外のすべて) を貫通して超伝導化合物を所定の位置に固定します。

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しかし、Lee氏のチームがLK-99の（とされる）創発的超伝導を発見したのは、固体合成ではなかったようだ。これは蒸着と呼ばれる技術によって行われた。この技術では、同じ化合物が反応させられたが、LK-99の結晶を作ることが目的ではなく、反応の蒸気がガラス構造に集まり、化合物の薄い膜が形成される。Sukbae氏と彼のチームによると、この膜は100℃～400℃の温度範囲で形成される（低温部では硫化鉛（PbS）の黒色膜、高温部ではラナーカイト（Pb2SO5）の白色膜、中間部では鉛アパタイトの灰色膜が形成される）。

著者らは、この灰色の鉛アパタイトからなる数ミクロンの厚さの膜から室温・大気圧超伝導が発現すると主張している。また、著者らは、鉄（Fe）などの不純物も合成過程で発生すること、そしてこれらの不純物が強磁性と反磁性のよく知られた発生源であることを事前に言及している。これらの特徴は、他の研究で既に発見され、再現されている。

しかし、これらの結果をLK-99が失敗作である証拠と見なすのは時期尚早だったかもしれない。著者らによると、これらの磁気特性はマイスナー効果の実際の作用を観察することをより困難にしており、注意力の低い観察者はLK-99の浮遊能力はこれらの種類の磁気特性で終了すると考える傾向があるという。

更新された韓国特許からの図。 — 著者らによると、LK-99が位相シフトする臨界温度（Tc）接合は3つあり、約125℃、約80℃、約50℃である（Tc Iは2番目の黄色の矢印、Tc IIは最初の黄色の矢印に対応）。（画像提供：Lee Sukbae他）

マイスナー効果の特徴的な外部磁場への反発を正確に特定・測定する方法は、超伝導量子干渉素子（SQUID）と呼ばれる装置を用いて、非常に弱い磁場を印加することです。LK-99を加熱・冷却しながらこの操作を行うと、SQUIDはLK-99の超伝導状態、すなわち3つの臨界温度相転移のうち2つの臨界温度相転移においてマイスナー効果が発現するのを検出できます。これらの相転移自体は、超伝導（電子が秩序立った抵抗のない運動）を可能にする物質構造の変化に対応しています。

ソフィア大学のVayssilovらによる最新の論文では、LK-99が超伝導体となるために必要な特性を持つ可能性が示唆されています（繰り返しますが、室温や大気圧については言及されていません）。論文で提示されている基本的な考え方は、超伝導が起こるには2つの方法があるというものです。1つは、特定の酸素原子を本来の位置から除去することで、超伝導への潜在的な高速道路が出現し、以前は原子核が占めていた空間に電子対（いわゆるクーパー対）が回り込むことができるようになるというものです。もう1つは、この同じ効果が、前述のCuドーピングによっても達成できるというものです。