Prépublication LK-99 sur le supraconducteur à température et pression ambiantes, révision 2
(arxiv.org)- Dans le contexte d’une recherche des supraconducteurs à température ambiante qui dure depuis plus de 110 ans, cette prépublication affirme que l’apatite de plomb dopée au Cu LK-99® présente une supraconductivité à température et pression ambiantes
- La composition du matériau est Pb10-xCux(PO4)6O(0,9<x<1,1) ; il est synthétisé par une méthode à l’état solide consistant à produire de la lanarkite et du Cu3P, puis à les chauffer dans un tube de quartz sous vide à 925 °C pendant 5 à 20 heures
- L’analyse XRD considère que le Cu se substitue aux sites Pb, que les constantes de maille diminuent et que le volume se contracte de 0,48 %, ce qui serait lié à une transition isolant-métal
- Dans les mesures de susceptibilité magnétique et les expériences de lévitation, les échantillons 2, 3 et 4 ont montré du diamagnetisme et une lévitation incomplète ; les auteurs l’interprètent comme un indice de l’existence d’une phase supraconductrice
- Les mesures de résistance sur l’échantillon 2 ont montré un saut de résistance aux alentours de Tc=104,8 °C (377,95 K) et une zone de résistance quasi nulle sous Tc ; les auteurs y voient une preuve d’un supraconducteur s-wave
Revendications et composition du matériau LK-99®
- LK-99® est un matériau doté d’une structure cristalline de type modified-lead apatite, de composition Pb10-xCux(PO4)6O, avec x dans l’intervalle 0,9<x<1,1
- Les auteurs affirment que ce matériau présente, au-dessus de Tc, des propriétés métalliques ohmiques fondées sur Pb(6s1), et qu’en dessous de Tc il lévite à température et pression ambiantes grâce à l’effet Meissner
- Le Tc des échantillons de LK-99® est présenté comme supérieur à 126,85 °C (400 K)
- La possibilité d’un Tc à température ambiante est reliée à deux changements structurels
- La substitution de Pb par Cu provoque une transition isolant-métal (IMT) ainsi qu’une contraction du volume
- La structure en chaîne unidimensionnelle Cu2+(3d9)−O1/2−Cu2+(3d9) le long de l’axe c se déforme, renforçant l’interaction coulombienne répulsive on-site
- Le mécanisme de Tc à température ambiante est discuté au moyen de la théorie 1-D BR-BCS
Contexte de la recherche de supraconducteurs à température ambiante
- Depuis la découverte de la supraconductivité par Onnes en 1911, les supraconducteurs à température ambiante à résistance électrique nulle sont un objectif majeur de recherche depuis plus de 110 ans
- À titre de comparaison, sont mentionnés les supraconducteurs cuprates au-dessus de 40 K en 1986, l’hydrure H2S affichant Tc≈203 K à 155 GPa en 2015, et l’hydrure de lutécium dopé à l’azote affichant un Tc de 294 K à 10 kbar en 2023
- La théorie BCS a été introduite en 1957, et la théorie BR-BCS traitant des Tc supérieurs à la température ambiante est décrite comme ayant été découverte en 2021
- Les auteurs considèrent que l’observation de l’apparition d’une phase métallique via une transition isolant-métal à une température supérieure à la température ambiante est la clé de la découverte d’un supraconducteur à température ambiante
- Le périmètre de la prépublication couvre la méthode de synthèse du supraconducteur lead apatite dopé au Cu, les expériences de lévitation, les propriétés de résistance nulle, le mécanisme d’IMT sans transition structurelle, le diagramme de phase et le mécanisme de supraconductivité à température ambiante fondé sur BR-BCS
Procédure de synthèse fondée sur une méthode à l’état solide
- La préparation des échantillons est réalisée par une méthode à l’état solide utilisant PbO, PbSO4, Cu, P comme matières premières
- La synthèse comporte trois étapes
- Étape 1 : des poudres de PbO et de PbSO4 sont mélangées à 50 % chacune, placées dans un creuset en céramique puis chauffées à l’air à 725 °C pendant 24 heures afin d’obtenir de la lanarkite Pb2(SO4)O
- Étape 2 : des poudres de Cu et de P sont mélangées selon les proportions des constituants, puis scellées dans un tube de quartz sous vide à 10^-3 torr et chauffées à 550 °C pendant 48 heures afin de produire des cristaux de Cu3P
- Étape 3 : les cristaux de lanarkite et de Cu3P sont broyés en poudre, puis scellés dans un tube de quartz sous vide à 10^-3 torr et chauffés à 925 °C pendant 5 à 20 heures
- La réaction finale forme Pb10-xCux(PO4)6O, et l’élément soufre présent dans PbSO4 est décrit comme s’évaporant pendant la réaction
Structure cristalline et contraction du volume
- La cristallinité et la structure de la poudre obtenue sont analysées par mesure X-ray diffraction (XRD) et ajustement des données
- L’échantillon 1 présente plusieurs pics XRD et est interprété comme un matériau polycristallin
- Le motif XRD correspond globalement à la modified-lead apatite, mais certains pics se déplacent vers des angles plus élevés et de nouveaux pics apparaissent également
- Les auteurs interprètent ce déplacement des pics comme une preuve d’un changement de structure de maille et d’une diminution des constantes de maille
- L’échantillon 1 possède une structure hexagonale P63/m, 176, avec des constantes de maille a=9,843 Å, c=7,428 Å
- Les constantes de maille de l’apatite de plomb utilisée comme référence sont a=9,865 Å, c=7,431 Å
- Il est indiqué que la substitution de Pb(M1) par Cu(M2) entraîne une contraction de 0,48 % du volume de l’échantillon 1
- Pb10(PO4)6O est un isolant, tandis que Pb10-xCux(PO4)6O, une LA dopée au Cu, est décrit comme supraconducteur à température ambiante et métallique au-dessus de Tc
Effet Meissner, lévitation et mesures de résistance
- La susceptibilité diamagnétique ZFC/FC des échantillons 2 et 3 a été mesurée de -73,15 °C (200 K) à 126,85 °C (400 K)
- L’échantillon 2 est un spécimen obtenu dans un contenant en quartz dans des conditions de faible dopage de l’apatite de plomb
- L’échantillon 3 est un spécimen fabriqué à partir de matières premières de plus grande pureté
- Les rapports de susceptibilité comparés à la valeur diamagnétique du graphite à 20 °C sont respectivement d’environ 5450 et 22,7
- Les auteurs estiment qu’un tel rapport élevé est difficile à expliquer autrement que par l’existence d’une phase supraconductrice
- L’échantillon 4 est un spécimen obtenu par traitement thermique de l’échantillon 2, et il est présenté comme ayant montré un phénomène de lévitation incomplète à température et pression ambiantes
- La résistivité de l’échantillon 2 a été mesurée par méthode 4-probe sous 30 mA, et un saut de résistance apparaît aux alentours de Tc=104,8 °C (377,95 K)
- Au-dessus de Tc, le comportement linéaire d’un métal issu de l’IMT apparaît
- En dessous de Tc, dans la zone inférieure à environ 60 °C, apparaît une plage pouvant être interprétée comme une résistance nulle, avec un signal de type bruit
- Dans la zone d’environ 60 °C à 90 °C, la résistance augmente de manière monotone avec la température, ce qui est interprété comme suggérant l’effondrement du gap d’énergie supraconducteur
- Dans la zone d’environ 90 °C à Tc, la variation de résistance n’est pas claire, mais dσ/dT est décrit comme fluctuant dans la dernière phase d’effondrement du gap d’énergie
- La zone de résistance nulle représente environ 88 % (333 K/378 K) de Tc en Kelvin, soit environ trois fois plus que les quelque 30 % des supraconducteurs classiques à basse température
- Les auteurs interprètent l’existence de la zone de résistance nulle comme une preuve d’un supraconducteur s-wave, contrairement à une symétrie d’appariement dx2-y2 comportant des nœuds
- La courbe I-V de l’échantillon 1 présente au-dessus de Tc le comportement linéaire d’un métal, et il est indiqué que le courant Tc diminue à mesure que la température augmente
- Dans la courbe I-V analysée à 25 °C avec un axe y logarithmique, des zones où le gap d’énergie supraconducteur se brise sous l’effet du Joule heating et où la résistance augmente sont observées lorsque certains seuils de courant sont dépassés
1 commentaires
Avis sur Hacker News
D’après la dernière mise à jour, du diamagnétisme aurait été confirmé dans un très petit échantillon répliqué de LK-99. L’auteur écrit que, sous la direction du professeur Haixin Chang de la Huazhong University of Science and Technology, le postdoctorant Hao Wu et le doctorant Li Yang ont été les premiers à vérifier, à température ambiante, un cristal de LK-99 en lévitation magnétique avec un angle de lévitation supérieur à celui de l’échantillon de Sukbae Lee, et qu’on peut s’attendre à ce qu’il concrétise le potentiel de la lévitation magnétique supraconductrice sans contact à température ambiante.
Autre mise à jour : une deuxième vidéo montrerait qu’il ne s’agit pas de paramagnétisme.
https://www.bilibili.com/video/BV13k4y1G7i1/
C’est une traduction Targum. À en juger par les commentaires et la vidéo, ils semblent affirmer que des particules de taille micrométrique ont lévité, mais je ne sais pas trop si c’est faux.
En gros, dans la structure cristalline, il existe deux sites Pb où Cu peut se substituer : le site de plus basse énergie ne fait rien, tandis que le site de plus haute énergie produit la supraconductivité.
https://arxiv.org/pdf/2307.16892.pdf
Enfin, les calculs présentés ici suggèrent que, lorsque Cu se substitue au bon site Pb(1), apparaissent un manifold d très plat et isolé, caractéristique clé de la supraconductivité à haute température, ainsi que la possibilité de magnétisme, de charge et de phonons fluctuants. En revanche, une substitution sur l’autre site Pb(2), pourtant plus bas en énergie, ne montre pas ces propriétés, ce qui suggère qu’obtenir un échantillon supraconducteur en masse implique un défi de synthèse : il faut que Cu occupe le bon site.
Si l’on synthétise mal le matériau, faut-il s’attendre à une supraconductivité « partielle », par exemple une résistance très faible mais non nulle, ou bien faut-il tomber exactement juste pour obtenir un supraconducteur, et sinon on a une résistance normale ? Et puis, en physique, une valeur réellement égale à zéro me paraît presque impossible : la supraconductivité est-elle vraiment exactement 0,0000…, ou est-elle seulement très proche de zéro, au point de se comporter comme une résistance nulle tout en ayant en réalité une infime résistance ?
Premièrement, fabriquer et mesurer un supraconducteur, même un étudiant de premier cycle peut le faire, mais pour l’expliquer il faut quelqu’un du niveau d’un prix Nobel. Deuxièmement, en théorie, comprendre le mécanisme permet de l’améliorer, mais en science des matériaux on arrive presque toujours à de bons résultats par essais et erreurs seulement. En conclusion, l’effet est probablement réel, l’explication ne l’est probablement pas.
Les voir utiliser un appareil de résonance paramagnétique électronique comme un détecteur de métaux de plage est tellement drôle que ça en devient presque forcément authentique.
Il faut se rappeler que les scientifiques sont aussi des humains, et qu’ils peuvent vouloir surfer sur une affirmation à la mode pour se faire un nom. Je ne suis pas spécialiste, mais ces vidéos ne sont pas du tout très convaincantes, et l’article qui simule LK-99 reste au final une simulation : en manipulant les paramètres, on peut obtenir à peu près n’importe quel résultat.
Si l’on pouvait améliorer l’efficacité, la consommation et la fiabilité des ordinateurs quantiques actuels d’un ordre de grandeur à un seul chiffre, cela suffirait à pousser les découvertes technologiques dans d’autres domaines et à créer une boucle de progrès auto-renforcée. Ce n’est pas seulement une affaire de trains ou de puces : l’enjeu est le potentiel de résolution de problèmes que ce matériau pourrait offrir en améliorant des technologies difficiles à fabriquer et à maintenir. Par exemple, et si l’on découvrait qu’un supraconducteur à température ambiante sous forme céramique est nécessaire pour une communication télépathique via une plaque préfrontale ? C’est de la science-fiction, mais si l’on prend aussi en compte des machines de résolution de problèmes dépassant largement la capacité du cerveau humain à identifier les problèmes, on ne peut vraiment pas savoir ce qui en sortira.
Le groupe LK-99 a publié une v2 le samedi suivant, une semaine plus tard, et il est possible qu’il continue à la mettre à jour. Dans le contexte d’une publication précoce, beaucoup d’étrangetés des deux articles s’expliquent. Le premier article s’intitule « The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor » ; il a pour auteurs Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim et Young-Wan Kwon, et porte l’horodatage du samedi 22 juillet 2023 à 07:51:19 UTC [1]. Le second article s’intitule « Superconductor Pb10−xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism » ; il a pour auteurs Sukbae Lee, Jihoon Kim, Hyun-Tak Kim, Sungyeon Im, SooMin An et Keun Ho Auh, a été mis en ligne le samedi 22 juillet 2023 à 10:11:28 UTC, soit 2 h 20 après le premier, puis mis à jour le samedi 29 juillet à 01:53:47 UTC
Dans les deux articles, le premier auteur est Sukbae Lee, le deuxième Jihoon Kim, et leur affiliation est « Quantum Energy Research center, Inc. », à Séoul. Dans l’article mis en ligne en premier, Young-Wan Kwon est troisième auteur, mais il n’apparaît pas dans le second, où quatre auteurs de plusieurs affiliations ont été ajoutés. Le second article semble avoir été rédigé en LaTeX, le premier sous Word. Le titre et le résumé du premier article affirment explicitement que LK-99 est un supraconducteur à température ambiante, tandis que le titre et le résumé du second ne le disent pas explicitement. Le vocabulaire employé donne toutefois l’impression que LK-99 y est considéré comme un supraconducteur
L’accusation en [3] est que Young-Wan Kwon aurait publié le premier article sans l’accord du reste de l’équipe LK-99, s’y serait ajouté comme troisième auteur et aurait retiré les quatre autres auteurs. L’explication serait ensuite que le reste de l’équipe LK-99 a intégré en urgence les données dont il disposait dans le second article, publié deux heures plus tard [4]. Cela expliquerait pourquoi deux articles du même groupe ont été mis en ligne le même jour, pourquoi les listes d’auteurs diffèrent et pourquoi seul le second article, et non le premier, a été mis à jour. Je ne suis pas spécialiste du domaine et je n’ai lu chaque article qu’une seule fois, mais il me semble qu’une bonne partie des erreurs et des passages brouillons des articles s’expliqueraient aussi dans ce contexte
C’est pour cela que je deviens prudemment optimiste quant à la possibilité que cette découverte soit réelle [5]. À lundi soir, les articles sur arXiv cadrent avec l’image d’un groupe de recherche ayant réussi à fabriquer et identifier un supraconducteur à température ambiante via un procédé de fabrication délicat, mais forcé de publier prématurément. Les preuves sont encore très loin de permettre de conclure que LK-99 est un supraconducteur à température ambiante. Mais un seul échec de réplication ne prouve pas non plus que LK-99 n’est pas un supraconducteur. Si le procédé de fabrication est délicat, il est naturel d’obtenir des dizaines de reproductions ratées et quelques reproductions réussies
Mise à jour, lundi soir heure des États-Unis : deux articles supplémentaires sur l’affirmation concernant LK-99 sont parus, ce qui porte le total à quatre. Le troisième article est une tentative de reproduction expérimentale infructueuse des résultats du groupe LK-99 ; il s’intitule « Semiconducting transport in Pb10-xCux(PO4)6O sintered from Pb2SO5 and Cu3P », ses 9 auteurs appartiennent tous au département de science des matériaux de la Beihang University à Pékin, et son horodatage est le lundi 31 juillet à 16:13:05 UTC [6]. Le quatrième article est une simulation de LK-99, qui observe des similarités entre LK-99 et d’autres matériaux supraconducteurs à haute température. Il s’intitule « Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite » ; son unique auteur est affilié à la division de science des matériaux du Lawrence Berkeley National Lab, en Californie, et il a été rendu public le lundi 31 juillet 2023 à 17:58:17 UTC [7]
[1] https://arxiv.org/abs/2307.12008
[2] https://arxiv.org/abs/2307.12037
[3] Ce commentaire a été rédigé à l’origine en réponse au message suivant : https://news.ycombinator.com/item?id=36952499
[4] Cela dit, on ne sait pas publiquement si tous les auteurs ont aussi donné leur accord à la publication du second article. Il a peut-être été publié en urgence par une partie du groupe, et il semble tout aussi possible qu’un auteur l’ait mis en ligne de sa propre initiative
[5] Par « prudemment optimiste », il faut en réalité comprendre : « trop excité et anxieux pour ne pas comparer les horodatages d’arXiv jusqu’à 3 h du matin »
[6] lien arXiv : https://arxiv.org/abs/2307.16802
lien HN" : https://news.ycombinator.com/item?id=36951140
[7] arXiv : https://arxiv.org/abs/2307.16892
HN : https://news.ycombinator.com/item?id=36951815
Je ne sais pas ce que Kwon voulait réellement obtenir dans cette affaire, mais il semble clair qu’un fossé important existait déjà entre Kwon et les autres auteurs, et que cette « fuite » a fait remonter ce fossé à la surface en même temps que LK-99
[1] Le contenu a déjà été supprimé, mais des captures d’écran existent ailleurs, et l’explication elle-même reste ici : https://gall.dcinside.com/mgallery/board/view/?id=thesingularity&no=178098
Si cela devait mener à un Nobel, j’espère que l’esprit sportif serait également pris en compte
Un réseau électrique mondial sans pertes, des trains à grande vitesse, des centrales à fusion, des voitures volantes : tout ça sonne très bien. À condition, bien sûr, que le matériau soit réel et qu’il puisse un jour être produit en masse. D’ici là, je resterai sceptique.
Je ne pensais pas que « Renegade Researcher » pouvait vraiment être une expression possible.
De toute façon, ce n’est qu’une prépublication ; je me demande si c’est si important que ça.
Il n’y a pas d’évaluation par les pairs, et dans une revendication de découverte, les preuves expérimentales en laboratoire ne sont-elles pas bien plus importantes qu’une prépublication ?
Je me demande quelles sont les implications générales d’un supraconducteur à température ambiante. Je sais seulement qu’il faut habituellement des températures ultra-basses, mais j’aimerais comprendre ce que cela signifie concrètement en pratique.
Pour cela, il faut faire passer des courants énormes dans de grands circuits circulaires ; sans supraconducteurs, cela produit tellement de chaleur que tout fondrait. Il existe des tentatives avec les supraconducteurs actuels, mais ils nécessitent des températures cryogéniques ou des pressions extrêmement élevées. Ce matériau pourrait peut-être être un supraconducteur bon marché existant à température et pression normales. Il aura sans doute des défauts qui l’empêchent d’être utilisé directement dans un réacteur à fusion, mais il pourrait nous apprendre comment fabriquer de meilleurs supraconducteurs.
Le passage suivant du brevet est assez révélateur si l’on connaît la fabrication des semi-conducteurs : « In addition, various energy sources used for deposition are not limited to chemical vapor deposition (CVD) using heat, but atomic layer deposition (ALD), sputtering, and thermal evaporation, e-beam evaporation, molecular beam epitaxy (MBE), pulsed laser deposition (PLD), etc. are also included without limitation as long as the raw material can be deposited. »
Les méthodes listées sont celles utilisées dans la fabrication de semi-conducteurs pour introduire des matériaux sur une tranche. Le fait que les documents promotionnels de l’entreprise décrivent la résistance comme « 1/10^4 de celle du cuivre » est également important, car le cuivre est aujourd’hui utilisé comme conducteur dans les puces. Avant, c’était l’aluminium, ce qui est en soi une histoire intéressante : https://en.wikipedia.org/wiki/Copper_interconnects
https://patents.google.com/patent/WO2023027537/en
En théorie, cela rendrait possibles des ordinateurs absurdes capables de faire passer 1000 GW sans chauffer, des voitures volantes, des câbles électriques sans pertes en transit. C’est aussi pour cela que le fait que ce soit possible dans des conditions normales paraît invraisemblable. On comprend qu’en refroidissant un matériau presque au maximum pour éviter qu’il ne freine le courant, ou en le comprimant jusqu’à le mettre dans un état étrange où il ne peut plus bouger, cela puisse arriver ; mais s’il suffit de le laisser dans une pièce ordinaire, il faudrait que ce soit un matériau complètement fou.
Je ne connais pas bien la physique, mais je me demande pourquoi on veut absolument de la supraconductivité. Un conducteur bon marché et très performant ne suffirait-il pas ? Et même si LK-99 est un supraconducteur, cela ne veut pas forcément dire qu’il est utile pour l’informatique, non ?
Il existe sûrement des matériaux plus conducteurs que le silicium, mais j’imagine qu’on ne peut pas les utiliser dans les puces à cause de leurs propriétés mécaniques ou d’autres caractéristiques physiques.
Ici, le problème est que le câblage ordinaire entre les transistors, généralement en cuivre, accumule de la chaleur chaque fois que du courant y circule. Cela limite la densité avec laquelle on peut placer les interconnexions dans une puce. Avec des supraconducteurs, on pourrait concevoir non seulement des processeurs beaucoup plus petits et plus rapides, mais aussi beaucoup de designs ne nécessitant pas de refroidissement. Imaginez une puce monstre en consommation comme une RTX 4090 faisant tourner localement les derniers LLM sur un téléphone. Voilà l’enjeu, et c’est aussi pourquoi tout le monde veut être l’auteur de l’article original.
L’IRM pourrait devenir bien moins chère, plus compacte et plus répandue avec des supraconducteurs à température ambiante. Les trains à sustentation magnétique peuvent « léviter » grâce à l’effet Meissner, par lequel les supraconducteurs repoussent les champs magnétiques, ce qui réduit les frottements et les rend très efficaces énergétiquement. La plupart des architectures de calcul quantique nécessitent des supraconducteurs refroidis, et des ordinateurs quantiques portables ou des puces quantiques placées à côté d’ordinateurs classiques auraient pratiquement besoin de supraconducteurs à température ambiante. Si l’on pense à l’échelle à laquelle les batteries modernes ont rendu possibles des choses allant des voitures électriques aux smartphones, l’ampleur des innovations technologiques bâties par-dessus pourrait être du même ordre.
Ce qui compte, c’est l’investissement et l’attention qui suivront la découverte vérifiée d’un tel matériau. Un énorme boom de la recherche produira certainement de meilleurs candidats. L’objectif final idéal serait un matériau utilisable comme les rubans supraconducteurs existants, mais fonctionnant sans refroidissement et, si possible, non toxique.
Vu que cette entreprise a notamment développé des films minces par dépôt, on peut probablement considérer que l’informatique est l’application visée. Pour les détails, voir les autres commentaires.
Je me demande s’il est normal que la qualité des figures et graphiques soit aussi mauvaise. Si ce sont des appareils de mesure, ils devraient au moins pouvoir exporter en CSV, ce qui permettrait de produire de vrais graphiques générés en externe au lieu d’images ressemblant à des captures d’écran pixellisées.
Je ne connais rien aux supraconducteurs ni à la science des matériaux ; quelqu’un pourrait-il résumer les différences entre l’article original et celui-ci ? Pas une réponse de ChatGPT.
À mon avis, lifthrasiir semble avoir raison ici : https://news.ycombinator.com/item?id=36953052