当時、室温超伝導の謎はどうなっていたのでしょうか?

最近、韓国の常温超伝導体「LK-99」が有名になり、大手メディアが注目しており、超伝導コミュニティは再現の取り組みを強化しています。しかし、実験であろうと理論計算であろうと、論文によって結果が大きく異なります。いくつかの論文では超伝導を裏付ける証拠がいくつか提示されているが、一方では、それらは単なる普通の磁性材料、あるいは不純物による偽信号にすぎないと主張する論文もある。 LK-99の見通しは論文の更新とともに絶えず変化しており、LK-99を取り巻く霧はますます厚くなっているようです。 100 年以上にわたる超伝導の研究において、LK-99 は室温超伝導を達成したと主張された最初の材料ではなく、またその後の検証中に論争に巻き込まれた最初の材料でもありません。実際、いわゆる「室温超伝導体」の多くは最終的には結論が出ず、物理学者らはUFOに倣って「未確認超伝導体」（USO）というあだ名をつけていた。では、世界には室温超伝導体と疑われる物質がいくつあるのでしょうか?彼らはその後どうなるのでしょうか？

さて、室温超伝導体にはいくつの種類があるのでしょうか?

最近、韓国のチームによるarxivの記事により、室温超伝導の概念が再び注目を集めました。近年、この問題に関する大きなニュースが相次いでおり、人々の好奇心と期待を掻き立てているが、まだ満足のいく結果は出ていない。

実は、人類による室温超伝導の追求は近年に始まったものではありません。過去10年ほどにわたり、研究チームは室温または室温付近で超伝導体を発見したと繰り返し主張してきた。

2020年10月、米国のディアスチームはネイチャー誌に室温超伝導の「結果」を発表し、緑色レーザー誘起によって合成された炭素・硫黄・水素（CSH）化合物は、267GPaの圧力で最大288Kの超伝導転移温度を示したと主張した。今後、超伝導に関する問題を議論する人は、ため息をつくだろう。「圧力は途方もなく高いが、ついに室温超伝導が実現するのだ」

ディアスと撤回された超伝導論文

しかし残念なことに、実験が繰り返される前に、しばらく待ってから、ディアスに関する多くの噂がすでに聞こえてきていました。研究者たちは、この研究の実験データが改ざんされ、操作されたのではないかと疑っていた。例えば、カリフォルニア大学の理論物理学者ハーシュ氏は、慎重な分析を行った後、その結果に疑問を投げかけ、批判する2つの論文を発表しました。長い論争の末、この記事は2022年9月にようやく撤回された。

あっという間に3年が経ち、室温超伝導が再び実現しました。ディアス氏は2023年3月初旬のアメリカ物理学会で、高温高圧条件下で合成したルテチウム窒素水素（Lu-NH）化合物が1GPaの圧力で294Kの室温超伝導を実現できるとして、新たな室温超伝導体の発見を発表し、ネイチャー誌に発表した。前回の成果に「驚かされた」ため、誰もが「しばらくは弾丸を撃ちまくろう」という姿勢を取った。以前ディアス氏を「激しく批判」していたハーシュ氏も、この問題に「対峙」するために会場に来た。

案の定、この結果は広く再現されていないだけでなく、中国の南京大学チームや物理学研究所チームによる実験など、多くの検証実験が否定されている。室温超伝導に対する人々の注目も、室温超伝導を2度「発見」した科学者ディアスに一部移り、人々は彼の出自や過去を理解し始めた。その結果、同僚たちはディアス氏の博士論文と多くの論文の間に類似点を発見し、そのうちの1つの論文の図表は他の文書と驚くほど似ており、ディアス氏が学術上の不正行為を犯した可能性があることを指摘した。その結果、関連するCSH論文も調査され、論文は撤回されました。

ディアスが広く注目されたのは、超伝導体の重要性と現代科学技術の発展に対する人々の認識の高まりと切り離せない関係にある。実際、室温超伝導体が発見されたと主張する例は数多くあります。例えば、2018年に2人のインド人研究者は、金ナノアレイにナノ銀粉末を加えることで236Kの超伝導を実現できると主張しました。彼らのデータは、MIT のスキナー氏によって疑問視されました。なぜなら、実験データのノイズ パターンが同じであり、実際の実験では不可能だったからです。その後、インドの学者たちはこの噂を否定し、それは「量子ノイズ効果」だと言いました...

例えば、2016年にコスタディノフは転移温度が373Kの超伝導体を発見したと主張したが、超伝導体の組成や製造プロセスは明らかにせず、秘密裏にフォローアップも行われなかった。

以前のものもたくさんあります。2012年に、あるチームが、純水で特別に処理したグラファイト粉末が300Kおよび常圧で超伝導性を示すと発表しました。 2003年、ある研究チームは、n型ダイヤモンドは電極と真空と結合すると、室温および大気圧で超伝導状態になる可能性があると主張しました...

真の室温超伝導体が出現するまで（あるいは信頼できる理論によって不可能であることが証明されるまで）、同様のニュースが次々と出て、一時的に注目を集め株価の変動を引き起こした後、人々は失望して戻ってくるだろうということは認めざるを得ない。室温超伝導の真の実現が世界に多大な変化をもたらすことは否定できないが、その探求の道のりは長く困難なものになるかもしれない。私たちも冷静な気持ちで注目し、期待して待ちましょう。

こんなに長い時間が経っても、それが超伝導であるかどうかまだ確信が持てないのはなぜでしょうか?

誰もが次のような疑問に戸惑うかもしれません。ある物質が超伝導体であるかどうかは、迅速かつ広範囲に確認または否定できる「白か黒か」の問題ではないでしょうか。こうすれば、不明な疑問がそれほど多く残ることはなくなり、3週間もの間、誰もが謎に包まれたままだったLK-99のような事態にもならないだろう。実際のところ、問題はそれほど単純ではありません。

新しい超伝導材料が認められるためには、著者らが説得力のあるデータを提供し、他の研究者が同じ効果を再現できなければなりません。北京の超伝導材料はニューヨークでも超伝導であるはずだというのが物理学者の揺るぎない信念です。新しい材料が超伝導性であるかどうかを判断するには、機器がサンプルに対して何らかの処理を行わなければなりません。したがって、疑わしい超伝導体の検証作業は、高品質のサンプルの入手とサンプルのテストの完了という少なくとも 2 つの部分に分けることができます。

サンプルを準備するのは簡単な作業ではありません。よくサンプルを準備するのは不老不死の秘薬を精製するのと同じだと冗談で言われますが、結局のところ、すべての不老不死の秘薬が人を不老不死にできるわけではありません（すべての不老不死の秘薬が人を不老不死にできるわけではないようです）。超伝導材料の場合、「高品質のサンプル」とは、適切なサイズのきれいな単結晶を指すことがよくあります。試験に使用される結晶欠陥は可能な限り少なくし、不純物はほぼ完全に排除する必要があります。

そのため、粒界が乱れ、不純物が多い多結晶材料は焼結しやすいものの、厳格な審査員や同業者を納得させるテスト結果は困難です。使用可能なサンプルを準備するには、高価な高純度の原材料、複雑な焼結条件、そして言葉では言い表せないほどの経験とある程度の幸運が必要です。

使えるサンプルが手に入ったとしても、それをどのように使って説得力のあるデータを測定するかというのも技術的な仕事です。常圧超伝導体のサンプルを測定するのは簡単ですが、それでも多くの手順が必要です。まず、サンプルを細かいサンドペーパーで洗浄および研磨する必要があります。研磨力が弱いと、サンプル表面の不純物が除去されず、誤った信号が発生します。粉砕力が強いとサンプルがすぐに崩れてしまう可能性があります。数ミリの長さのサンプルを研磨した後、4つの導電性電極を並べて接着し、中学校で習った電圧計の内部接続と同様の方法で抵抗をテストします。電極は平行かつ等長に接着する必要があり、電極間には十分な距離が必要です。研磨から電極の接着まで、顕微鏡下でのこれらの繊細な作業は迅速に完了する必要があります。そうしないと、サンプルが空気中で酸化されて劣化し、これまでの作業がすべて無駄になってしまいます。

高圧超伝導の検証はさらに困難になるでしょう。言うまでもなく、大気圧の数百万倍の圧力という実験条件により、ほとんどの研究室は検証作業への参加を躊躇しています。テスト技術自体は非常に複雑です。サンプルを損傷することなく、サンプルに均等に圧力を加えて伝達する方法を見つける必要があります。加圧装置と一緒にサンプルを冷却し、磁場を加える必要があります。試験装置の電圧計と電流計を接続するために、加圧機構から 4 本のワイヤを引き出す必要があります。複雑なデバイスや極端な条件によって生成されるノイズ信号を抑制する必要もあります...

したがって、高圧超伝導はいくぶん不幸な運命をたどっているように思われます。金属水素超伝導体のサンプルは蒸発してしまい、何も生まれなかったのです。臨界温度が200Kを超える炭素・硫黄・水素はしばらくの間よく知られていましたが、昨年最終的に撤回されました。そして今年3月のルテチウム-窒素-水素超伝導体も、今や急速に終焉に近づいています...

超水素化物：偉大な力は奇跡を起こす？

さて、それでは室温超伝導体はどのような物質に現れるのでしょうか？

すべての「室温超伝導材料」の中で、超水素化物は理論的に最も可能であり、現在最も研究されています。従来の超伝導を説明できる BCS 理論 (3 人の発見者、バーディーン、クーパー、シュリーファーにちなんで名付けられた) によれば、超伝導体の臨界温度 Tc は、超伝導体を構成する原子の質量 M の平方根に反比例します。このように、科学者たちは、超伝導の臨界温度を上げたいのであれば、最も軽い元素である水素を使うのが最善の方法だと当然考えました。

常圧下で沸点が-253℃の水素を固体の導電性物質である金属水素にするためには、数百万気圧の圧力を加える必要があります。偶然にも、圧力の上昇は超伝導臨界温度の上昇にもつながります。その結果、世界中の高圧超伝導実験室のダイヤモンドアンビルセルに水素が注入されるようになりました。

しかし、気体の水素を圧縮して固体にし、安定した状態で測定を完了するのは極めて困難です。数十年が経過しましたが、今日まで金属水素の生成に成功した人はほとんどいません。唯一の成功の主張は、3月に室温超伝導を達成したと主張したアメリカ人ディアス氏によるものだったが、同僚から質問を受けた後、サンプルが適切に保管されずに蒸発して消失したと主張した。この未解決事件は、とてもばかげた形で終わった。

金属水素の調製は非常に難しいため、科学者たちは希土類水素化物に目を向けました。周期表の一番下に位置するランタノイド元素は、複数の水素原子と結合して分子を形成し、比較的安定して存在することができます。この複数の水素原子を含む化合物は、水素を多く含む化合物と呼ばれます。分子中の水素含有量がさらに高い場合は、超水素化物と呼ばれます。

その中でも最も研究されている物質はLa-H系です。 LaH10は、ランタンと水素の混合物を高圧下でレーザー照射することによって得られます。これは、これまで実験的に検証された最も高い臨界温度を持つ超水素化物です。 165万気圧で約252K（-13℃）の超伝導状態を実現できます。

LaH10結晶中のLa原子を囲む水素ケージ

現在、希土類水素化物に富む化合物の研究は、依然として主に二元系に焦点を当てています。研究が進むにつれて、三元系超水素化物は徐々に注目を集めており、将来的には高圧超伝導体の臨界温度記録を破る可能性もあります。水素化物は、1950 年代に提唱された BCS 理論によって説明および予測できる従来の超伝導体の一種であることを指摘しておく必要があります。水素を豊富に含む製品の成功は確かに BCS 理論のもう一つの強力な証拠ですが、その重要性は極限条件下での科学と実験技術にのみほぼ限定されています。数百万気圧の圧力により、実用化はほぼ不可能になります。

おそらく、将来的にはさらに多くの「室温超伝導材料」が登場し、それが偽造されることになるだろう。おそらく常圧室温超伝導は存在しないだろうが、人類による穏やかな条件下での超伝導の探究は止まることはないだろう。これがエンジニアリングと科学の追求への期待です。実験技術の進歩と基礎理論のブレークスルーにより、今後さらに多くの「常温超伝導材料」が登場するでしょう。