損失のない省エネ？韓国の今回の「常温超伝導」発見は信頼できるのか？

韓国の物理学者チームは最近、プレプリントウェブサイトarXivに2つの論文をアップロードし、常温常圧で初の超伝導体を発見したと主張した。

論文では、常圧条件下では、改質鉛アパタイト（論文ではLK-99と表記）は127℃以下で超伝導体として挙動できると主張している。

論文が発表されるとすぐに、インターネット上で白熱した議論が巻き起こった。

arXivの論文のスクリーンショット 画像出典：参考文献[1]

このニュースを見ると、必ず次のような疑問が湧いてくるでしょう。「どうすれば再び室温超伝導が実現できるのか？」彼らはなぜまた口論しているのですか?そして、なぜそれが馴染み深いと感じるのでしょうか?

長すぎて読めない

超伝導とは、ある温度で物質の抵抗がゼロになる物理現象です。

超伝導体の応用は科学技術に大きな変化をもたらすと期待されていますが、超伝導転移温度が低いため応用が限られています。

室温での超伝導体は超伝導研究者の究極の夢です。

世論を刺激した韓国の論文はまだ査読を通過していない。論文で主張されている結果については慎重になる必要があり、さらなる実験的検証が必要である。

超伝導とは何ですか?

物理学において、超伝導とは、ある一定の温度以下になると物質の抵抗がゼロになる現象です。変化後の物質は超伝導体と呼ばれます。

中学校の教科書には、回路では、電圧をかけると電線の中の電荷がランナーのように移動し、電流が発生しますが、導体の抵抗によってその動きが妨げられると書かれています。

回路が超伝導体で作られている場合、電荷は回路内を自由に流れることができ、電流は流れ続けます。超伝導鉛で作られたループでは、電流が弱まる兆候を示さずに何ヶ月も流し続けることができます。

超伝導は1911年にオンネスによって発見された。

画像出典: ノーベル賞公式サイト

超伝導体は電気抵抗がゼロであることに加えて、完全反磁性と呼ばれる別の珍しい特性を持っています。物質が超伝導体に変化すると、僧侶が金の鐘を鳴らすようなものになります。体内の磁場はほぼすべての磁束を「反発」し、磁力線は超伝導体を貫通できません。

この現象はマイスナー効果としても知られています。

超伝導体の完全な反磁性に基づいて、超伝導体の真下に磁石を置くという興味深い実験を行うことができます。磁石は周囲に磁場を発生させますが、超伝導体の内部では磁場の存在が許されないため、磁石を反発する反対の磁場が発生します。

反発力が超伝導体の重力とバランスが取れていれば、SF小説のワンシーンのように、超伝導体を空中に浮かせることができます。

ギャラリー内の画像は著作権で保護されています。転載して使用すると著作権侵害の恐れがあります。

その後、物理学者は、物質が超伝導体であるかどうかを判断するには、その物質がゼロ抵抗と完全な反磁性の両方を備えているかどうかに依存しており、この両方が不可欠であると結論付けました。

超伝導体はその特殊な特性により、将来の応用について人々の無限の想像力を刺激してきました。例えば：

ゼロ抵抗回路では熱損失はほとんどありません。超伝導材料を長距離・大容量の電力伝送に使用すると、エネルギーの無駄を大幅に削減し、エネルギー効率を向上させることができます。

発電機やモーターに超伝導線を使用すると、電流の強度と出力が大幅に増加します。

超伝導体を使用して超大規模集積回路の接続を行うと、放熱の問題を解決し、計算速度を向上させることができます。

超伝導体の実用化は、科学技術に大きな変化をもたらす可能性を秘めています。

ギャラリー内の画像は著作権で保護されています。転載して使用すると著作権侵害の恐れがあります。

残念ながら、理想は満ち溢れていますが、現実は非常に乏しいです。これまで、超伝導体の実用化は、主に粒子加速器、磁気浮上、超伝導量子干渉計などの特定のシナリオに集中してきました。電力工学の分野、特に超伝導線による長距離電力送電の実現は大きな期待が寄せられていますが、大規模な応用はまだ遠い将来です。

超伝導体の広範囲な応用を制限するものは何ですか?根本的な原因はただ一つ、温度です。

高温超伝導体

物質が超伝導体に変化する温度を超伝導臨界温度 (Tc) と呼びます。この Tc より低い温度でのみ、超伝導体はその超伝導特性を維持できます。

しかし、ほとんどの材料の Tc は非常に低く、基本的に -220°C 未満であるため、低温環境を維持するには液体窒素または液体ヘリウムを使用する必要があります。

数百キロメートルに及ぶ超伝導送電線を建設するために、その間ずっと液体窒素に浸して冷却する必要がある大変な作業を想像してみてください。なんて高くなるんだろう！

したがって、超伝導体をより広く利用するために、より高い Tc を持ち、できれば室温 (約 25°C) で超伝導特性を維持できる材料を見つける必要があります。

超伝導の発見以来、物理学者は高温超伝導体の探索を止めたことはありませんが、その探索は常に困難を伴っています。

超伝導の発見から最初の70年間は、-240℃以下のTcの上限を破ることさえ困難でした。幸いなことに、物理学者は後に、Tc が -173℃ を超える超伝導体を発見しました。超伝導体の最高臨界温度の現在の記録保持者は、150 万気圧の圧力下での硫化水素で、Tc は約 -73℃ ですが、これはまだ理想的な室温からは程遠いものです。このような高圧条件は、実際に適用するのが難しいことも意味します。

韓国の「室温超伝導」

これを見て、冒頭の内容を覚えているなら、この韓国のチームが発表した論文がいかに衝撃的であるかが分かるでしょう。彼らは、常圧下でTcが約127°Cの超伝導体を発見したと主張しており、Tcを室温まで下げるだけでなく、直接200度も上昇させたのです。

論文によれば、研究者らは鉛、銅、リンを含むさまざまな材料を組み合わせ、別々に加熱して、LK-99と名付けた銅添加鉛アパタイト結晶を作成した。

論文に掲載されているLK-99の写真は、以下の文献から引用したものです。参考文献[1]

その後、研究者らはLK-99の物理的特性を測定した。

彼らが示した実験結果によると、127℃以下のLK-99に電流を流すと、一定の電流範囲内で電圧は基本的にゼロになり、抵抗ゼロの特性を示します。

論文では、温度、電流、磁場が特定の臨界値に達するとゼロ抵抗現象が消えると主張しており、これは超伝導体の特性と一致している。

臨界電流に達する前に、LK-99 の電圧はゼロに近づきます。

抵抗ゼロを示す 画像出典：参考文献[1]

ゼロ抵抗に加えて、超伝導体のもう一つの重要な特性は完全な反磁性です。

これに応えて、チームは実験データのチャートを提供し、ビデオデモをオンラインで公開しました。ビデオでは、室温および常圧で、LK-99 サンプルの小片が磁石の上に置かれ、一方の端が磁石に近づき、もう一方の端が何らかの反発力を受けているかのように自然に上昇します。

論文チームがサンプルの反磁性を示すために提供したビデオ

動画出典：参考文献[1]

しかし、ビデオの揚力は、多くの超伝導体のマイスナー効果のように磁石の上に完全に浮かんでいるわけではありません。実際、強磁性粉末成形体などの強力な反磁性材料も、強い磁場下では磁石を反発し、ビデオに示されているような持ち上げ効果と同様の効果をもたらします。

したがって、このビデオだけでは、LK-99 が超伝導体のような完全な反磁性特性を持っていることを証明することはできません。

しかし、論文チームは一連の実験により、LK-99が常温常圧で超伝導体であることが実証されたと考えている。

また、鉛アパタイト中の鉛イオンの一部が銅イオンに置き換わると体積がわずかに収縮し、材料構造が変形し、内部界面に超伝導量子井戸が生成され、超伝導現象が生じるという理論的な説明もなされた。

この論文は、LK-99の室温超伝導の原理を構造的観点から説明しようとしている。

画像出典：参考文献[2]

しかし、LK-99の構造はこれまで発見された主流の高温超伝導体とは大きく異なり、彼らが示した理論的説明は今のところまだ推測の域を出ません。

狼少年の物語

室温超伝導に関して、既視感を覚える方もいるかもしれません。おそらく、今年 3 月に、室温超伝導に関するもう一つの「大ヒット」が世間を騒がせたからでしょう。

当時、アメリカ物理学会の会議で、ロチェスター大学の物理学者ランガ・ディアス氏とそのチームは、ルテチウム・窒素・水素系の材料で1GPa（約10,000気圧）の圧力下で室温（約21℃）の超伝導を達成したと発表しました。

ランガ・ディアス、ロチェスター大学

画像提供: ロチェスター大学

しかし、ディアス氏が研究を発表したわずか1週間後、いくつかの実験チームが、ルテチウム水素化物化合物の繰り返し実験では超伝導は見られなかったとする論文を発表しました。

ディアス氏は自身の実験結果は真実であり信頼できると主張していたが、ネイチャー誌やフィジックス・レビュー・レターズ誌に掲載された論文は詐欺の疑いで次々と撤回され、同氏が提唱した常温超伝導物質も証拠不十分として広く疑問視された。

ルテチウム-水素-窒素材料の抵抗曲線は温度によって変化します。

2Kでは超伝導転移は見られなかった 画像出典：参考文献[3]

今年3月のディアス氏の「発見」に比べ、韓国チームの論文における常圧下での127℃での超伝導は、さらに衝撃的だ。では、韓国チームの「実験結果」は、ディアス氏の室温超伝導の発見の主張と同様に、結局は物議を醸す学術的茶番劇になってしまうのだろうか？

ディアスの論文が当初ネイチャー誌に掲載されたことは言及する価値がある。当時、この実験は再現されていなかったものの、少なくともある程度の査読は受けていた。今回、韓国チームの論文は査読プロセスを一切経ずに、プレプリントウェブサイトarXivに掲載された。

arXiv に論文を掲載するためのハードルは非常に低いです。通常、研究者は論文を正式に公開する前に、独創性を証明するために下書きを arXiv にアップロードします。論文の品質はまちまちであることが多く、品質を保証することは困難です。

実は、ディアスだけではありません。ほぼ毎年、室温超伝導材料を発見したと主張するチームがあるが、これまでのところ、実験によって厳密に証明されたものはない。

2016年にarXivに発表された論文では、転移温度が373Kの室温超伝導体が発見されたと主張されています。画像出典：参考文献[4]

たとえば、2016 年にアップロードされた論文は、約 373K (または 100°C) の超伝導転移温度を持つ化合物の発見を主張しており、arXiv で今でも見つけることができます。また、複数の実験データグラフとマイスナー効果グラフも掲載されており、これらは韓国チームの論文と全く同じものである。

しかし、論文では化合物の組成が明らかにされておらず、実験プロセスも厳密ではなく、磁石上の懸濁液の信憑性も疑問視された。結局、査読を通過せず正式に出版されることもなく、それ以上の注目を集めることもありませんでした。

この2016年の論文にはマイスナー効果に似た実験図も含まれていたが、その信憑性は証明できなかった。

画像出典：参考文献[4]

これに対し、今回韓国チームは使用した材料を発表しただけでなく、論文の中で詳細な材料調製方法も紹介しており、材料構成も比較的シンプルで明確だった。韓国チームの実験結果を検証するために同じ材料を準備することは難しくありません。

実際、すでに材料の準備を始めているチームがあり、近いうちに科学研究チームが同じ条件下での実験結果を提供し、韓国チームの結果が正しいかどうかを検証するだろうと私は信じています。

この論文では、LK-99 の詳細な調製プロセスについて説明します。画像出典：参考文献[1]

LK-99 物質が画期的な発見なのか、それとも単なる学術上の失策なのかは、今後数日で明らかになるかもしれない。

傍観者として私たちがすべきことは、静かに待って、弾丸が飛び交うのをしばらく見守ることです。

参考文献

[1] https://arxiv.org/abs/2307.12008

[2] https://arxiv.org/abs/2307.12037

[3] Ming X、Zhang YJ、Zhu X、他。 LuH2±xNy[J]における常温付近の超伝導の欠如。ネイチャー、2023年：1-3。

[4] https://arxiv.org/abs/1603.01482

謝辞: 本論文は、中国科学院物理研究所の Luo Huiqian 研究員から専門的な指導と協力を受けました。心より感謝申し上げます！

企画・制作

出典: Guokr

著者: セントラルスター

編集者: 金 宇芬 (インターン)