韓国の常温超伝導研究結果は本当か？一つの論文で実験を再現することの難しさを理解する

7月22日、韓国の研究チームがarXivプラットフォームに論文をアップロードし、LK-99と呼ばれる室温超伝導体を発見したと主張し、世界的な注目を集めた。なお、arXiv は物理学、数学、コンピューターサイエンス、生物学、数理経済学の論文のプレプリントを収集する Web サイトです。掲載されている記事は、著者自身が自らの第一出版権を主張し、他者とのコミュニケーションを図る目的で掲載しているため、「正式に出版された」とは言えません。記事の内容の信憑性は、同僚によって厳密に審査される必要はありません。そして、「正式に出版された」論文は査読に耐えられなければなりません。しかし最近、世論の強い圧力により、韓国チームは論文を削除した。

超伝導体とは何ですか?

超伝導は、物質内部の電子の巨視的な熱力学的相転移です。超伝導体には、絶対ゼロ抵抗と完全な反磁性という 2 つの独立した特性があります。

ゼロ抵抗とは、抵抗が完全になくなることを意味し、誰にとっても理解しやすいものです。では、完全な反磁性とは何でしょうか?

物理学では、物質の磁性は通常、常磁性、反磁性、強磁性に分類されます。強磁性材料とは、磁場内に置かれたり、一定の温度以下に下げられたりすると磁化され、強い磁場を発生し、明確な磁極を持つ材料です。たとえば、鉄、コバルト、ニッケルなどの元素を含む一部の材料は、磁化後も強磁性を保持できます。常磁性材料は磁場内に置かれた材料です。物質は磁化されて、元の磁場と同じ方向で元の磁場に比例した大きさの小さな磁場を生成しますが、外部磁場が除去されると消えます。反磁性材料は磁場内に置かれた材料です。物質内部に生成される磁場は、元の磁場の方向とは逆方向となり、全体の磁場を弱めます。一般的に言えば、磁場内に置かれた強磁性体は元の磁場に引き付けられますが、反磁性体は元の磁場に反発されます。

しかし、多くの場合、物質の反磁性は磁場がそれほど強くない場合は基本的に観察できないため、人々は物質の反磁性を無視します。正確に言うと、真空の磁化率は 0 であり、これは元の磁場と一致することを意味します。通常の反磁性物質の磁化率は負ですが、0 に非常に近いです。たとえば、水、一部の有機物、少量の金属などはすべて通常の反磁性物質です。しかし、超伝導体の磁化率は -1 であり、反磁性の最大値に達しており、これは通常の反磁性物質とは大きく異なり、100% 反磁性です。磁束線は通常の反磁性物質を通過できますが、完全に反磁性の状態にある超伝導体は通過できません (マイスナー効果とも呼ばれます)。特定の温度と磁場では磁束線が超伝導体を部分的に貫通できるにもかかわらず、強い磁束ピン止め効果が発生します。したがって、超伝導体は外部磁場を非常に強く反発し、磁束線をしっかりと結合することができますが、通常の反磁性体は外部磁場をわずかに反発するだけです。

反磁性に関しては、興味深い事実があります。現在、英国マンチェスター大学の教授であるアンドレ・ガイム氏は、ノーベル物理学賞とイグ・ノーベル物理学賞の両方を受賞した世界初の学者です。彼はグラフェンの発見により2010年のノーベル物理学賞、カエルを吊るす実験により2000年のイグノーベル物理学賞を受賞した。彼はカエルを16テスラの強い磁場の中に置いたところ、カエルは多量の水分を含む有機物であり、ある程度の反磁性を持っているため、磁場の中で浮遊することができた。実は、カエルだけではありません。 16 T の磁場は非常に強いため、一滴の水でも磁場内に浮かぶことができます。

もちろん、同じサイズの超伝導体であれば、その反磁性は最も強く、浮遊させるには0.5T程度の磁場しか必要ありません。

韓国は室温超伝導を再現したと主張？

韓国チームの磁気浮上動画をよく見ると、もともと作った素材は完全な丸いパンケーキ型だったが、浮上現象を見せる目的で、チームは素材の一部をわざと叩き落とし、素材の片方の端を重く、もう片方の端を軽くして、不均等な力で反り返る現象を実現したことがわかる。物質を破壊した動機自体が非常に疑わしい。

材料を十分に薄く軽くしたり、より強力な NdFeB 磁石を使用したりすれば、その反磁性により完全に吊り下げることも可能になります。案の定、国内の検証チームが最近公開した検証動画でもこの点は明らかだ。あるチームが製造した材料は、磁石の上に実際に浮遊できるほど薄いものです。

しかし、ここでは、通常の反磁性材料の懸濁液と超伝導体の懸濁液を区別する非常に簡単な方法をお伝えします。それは、磁石の下に材料を置いて、それが磁石の下で浮くかどうかを調べることです。磁気浮上を実現できる超伝導体は、磁石の上に浮かぶだけでなく、磁石の下にぶら下がることもできます。なぜなら、磁束線は実際には超伝導体に部分的に浸透し、超伝導体によって強く反発され、超伝導電子は磁束線をしっかりと固定して非常に強い力を発生させることができるため、浮遊していても吊り下げられても、重力を克服するのに十分だからです。しかし、通常の反磁性材料は反磁性が非常に弱いため、磁石の下に吊るすことはできません。ほとんどの磁束線は強い力がなくても材料を貫通できます。わずかな反磁性反発力を利用して磁石の上に吊り下げることができます。磁石の下に置くとすぐに露出しますが、通常の耐磁性材料はためらうことなく落ちます。

そのため、国内の専門研究チームのほとんどは、一見すると超伝導磁気浮上のようには見えないため、韓国チームの結果を再現することにあまり熱心ではない。常温常圧で超伝導材料を実現したと主張したいのであれば、室温で磁石の下に浮かべることができるかどうかを単純に検証する必要があるかもしれません。アメリカのTaiji Quantum社が常温超伝導の特許を取得したと主張している件については、これは資本市場における何らかの運用手段であり、もはや科学研究の範囲外である可能性も否定できない。

一般的に、室温および大気圧で使用できる材料の探索には、まだ長い道のりが残っています。現時点では、どのような物質が常温常圧で超伝導を実現できるかを説明できる明確な理論はなく、40 K～165 K（-233 ℃～-108 ℃）の高温超伝導現象をどのように説明するかさえ結論が出ていません。

現在、いくつかの疑わしい研究活動が人々の注目を集めていますが、より多くの人々がより多くの側面から材料の超伝導を合成し、テストすることに興味を持つことができれば、遠い将来に「ブラックスワン」が突然現れる可能性があります。その日を楽しみにしております。

著者: 耿志豪、北京化学工学大学准教授

レビュー |中国科学院物理研究所研究員羅慧謙氏

プロデューサー |ポピュラーサイエンス チャイナセントラルキッチン