초전도체 LK99 듀크대 화학박사 글 번역

https://www.science.org/content/blog-post/room-temperature-superconductor-new-developments

 

Intro:

I'm doing this as a follow-on to my previous post on this topic, since this is a fast-changing story. To recap, preprints appeared last week making the remarkable claim of a well-above-room-temperature superconducting material at ambient pressure, dubbed LK-99. This is one of the most sought-after goals in all of materials science and condensed matter physics, something that until now has only been found in (numerous!) science fiction stories. The potential applications of such a material almost can go without saying - depending on what current density it could accommodate, it could improve almost anything that uses electromagnetism.

 

이것은 빠르게 바뀌는 주제이기 때문에 이 전 포스트에 이어서 하겠습니다.
요약하자면, 지난주에 LK-99라고 불리는 대기압 상온초전도 물질에 대한 놀라운 주장의 논문이 아카이브에 올라왔습니다.
이것은 응집물리학, 재료과학에서 원하는 목표 중 하나이며 (수없이 많은!) 공상과학 스토리에서나 찾아볼 수 있었습니다. 
이같은 물질의 응용가능성은 말 할 필요도 없습니다. 이건 수용가능한 전류밀도에 따라 전자기를 사용하는 거의 모든 것이 개선가능하게 할 것입니다.

 

 

 

Well, extraordinary claims need extraordinary proof, and where things like this usually fall apart is difficulty with replication. The experimental preparation of LK-99 was not very complicated at all, though, and did not use any particularly exotic materials or equipment, so the expectation was that many labs would immediately try to reproduce it. There are always complications, of course: even the original authors said that their samples were polycrystalline and heterogeneous, and there is no expectation that the reported preparation is an optimized one. (Whether the authors have a better one that is yet unpublished is an open question!) This means that replication might not be a smooth process, but it also means that a lot of people will be giving it a try, increasing the chances for success even if there are variables that we don't yet appreciate. Even the ones we do appreciate (starting material purity, presence of oxygen, particle size, heating and cooling rate, size/shape of the vessel) are enough to give you a lot of variability, I'd say.

 

물론, 특별한 주장에는 특별한 증거가 필요합니다. 그리고 보통 이런것들은 재현이 상당히 어렵습니다.
하지만 LK99의 재료준비는 어렵지 않을뿐만 아니라 특별한 외국 재료나 장비를 사용하지 않습니다.
따라서 전 세계의 수많은 실험실에서 즉시 복제시도를 할 것으로 기대됩니다. 
물론 항상 복잡한 문제들이 있습니다 : 원문저자조차 그들의 셈플이 다결정에 이질적이라고 말했고 리포트 된 준비물이 최적화 됐을거란 기대는 하기 어렵습니다.
(저자들이 더 좋은 셈플을 가지고 있을지는 아직 미지수입니다)
이것은 복제가 순조롭지 않을거란 걸 의미합니다. 하지만 수많은 사람들이 시도할 것이며 이는 우리가 아직 상정못한 변수가 있다 할지라도 성공확율을 높여줄 것입니다.
상정가능 변수조차(시작 물질의 순도, 산소의 존재, 입자크기, 가열 및 냉각속도, 용기의 크기와 모양) 다양한 베리에이션이 가능하다고 말할 수 있습니다.
 

 

 

Another complication has been some apparent infighting among the authors of the preprints. The two manuscripts appeared in close proximity, one with three authors and one with six. As I understand it (subject to change!) reports are that the three-author preprint might be withdrawn, supposedly because one of the authors submitted it without consulting with some of the others, and that the six-author one is now being readied for submission to a peer-reviewed journal (the preprint itself has already been revised). It may be a while before we understand what has actually been going on behind the scenes, but honestly, I can't blame anyone for some excitability and confusion. If I'd been in on the discovery of a room-temperature superconductor I would have surely have gone into Headless Poultry Mode myself.

 

또 다른 복잡한 문제중 하나는 프리프린트의 저자들 사이에서 명백한 내분이 있었습니다.
두개의 원고가 가까운 곳에 올라왔고 하나에는 세명의 저자가, 다른 하나에는 여섯명의 저자가 있었습니다.

아마도 저자 중 한명이 상의없이 제출했고 6명의 저자가 피어리뷰 저널에 제출할 준비를 하고 있었다고 합니다.
(프리프린트 자체가 이미 수정됨.)

화면 뒤에 무슨일이 일어나는지 이해하기까지는 시간이 걸릴 것 같습니다.
하지만 솔직히 전 혼란과 흥분에 대해 누군가를 비난할 수 없습니다.

만약 내가 상온 초전도체를 발견했다면 난 분명히 닭대가리 모드가 되었을 것이기 때문입니다. (대가리없는 가금류 의역)

 

 

 

The Latest, As of August 1

As of this morning, there are (as yet not really verified) reports of replication from the Huazhong University of Science and Technology in China. At least, a video has been posted showed what could be a sample of LK-99 levitating over a magnet due to the Meissner effect, and in different orientations relative to the magnet itself. That's important, because a (merely!) paramagnetic material can levitate in a sufficiently strong field (as can diamagnetic materials like water droplets and frogs), but these can come back to a particular orientation like a compass needle. Superconductors are "perfect diamagnets", excluding all magnetic fields, and that's a big difference. The "Meissner effect" that everyone has been hearing about so much is observed when a material first becomes superconductive at the right temperature and expels whatever magnetic fields were penetrating it at the time. All this said, we're having to take the video on the statements of whoever made/released it, and there are other possible explanations for the it that do not involve room-temperature superconductivity. I will be very happy if this is a real replication, but I'm not taking the day off yet to celebrate just based on this.

 

8/1 최신자 +

오늘 오전 현재 중국 화중과학기술대에서 복제성공 보고가 있습니다(아직 검증안됨).

마이너스 효과로 인해 공중부양하는 것으로 추정되는 LK99 셈플 영상이 올라왔습니다.

그것도 자석의 다른 극들로 말입니다.
그것은 중요합니다, 왜냐하면 (단순히!) 상자성체도 충분히 강한 자기장에서는 공중에 뜰 수 있지만 (물방울이나 개구리 같은 상자성체도 마찬가지), 나침반 바늘처럼 특정 방향으로 돌아올 수 있기 때문입니다.
초전도체는 모든 자기장을 제외시키는 "완벽한 반자성체"이며 이건 매우 큰 차이입니다.

모두 많이 들어봤던 "마이스너 효과"는 물질이 적정온도로 초전도체가 되어 물질을 관통하고 있던 자기장을 모두 방출할 때 관측됩니다.

말하자면 우리는 영상제작/공개한 사람이 진술한 것을 동영상 촬영해야 합니다.

그리고 실온 초전도성을 제외하고도 설명이 가능합니다.

이게 진짜 복제품이라면 정말 기쁠 것 같은데, 
이것만 보고 축하하기 위해 휴가를 쓰기에는 이릅니다.

 

 

 

And even though I'm usually more of an experimental-results guy than a theory guy, two other new preprints interest me greatly. One is from a team at the Shenyang National Laboratory for Materials Science, and the other is from Sinéad Griffin at Lawrence Berkeley. Both start from the reported X-ray structural data of LK-99 and look at its predicted behavior via density functional theory (DFT) calculations. And they come to very similar conclusions: it could work. This is quite important, because this could mean that we don't need to postulate completely new physics to explain something like LK-99 - if you'd given the starting data to someone as a blind test, they would have come back after the DFT runs saying "You know, this looks like it could be a really good superconductor.

 

그리고 제가 이론물리학자보다 실험물리학자에 가깝지만, 두개의 새로운 프리프린트에 매우 관심이 갑니다.

하나는 선양 국립 재료과학 연구소의 팀이고, 다른 하나는 로렌스 버클리의 시네아드 그리핀의 팀입니다.

둘 다 LK99의 보고된 X선 구조 데이터에서 시작했습니다. 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 예측된 동작을 확인합니다.
그리고 그들은 매우 유사한 결론에 도달했습니다 : 이거 가능합니다.
이건 LK99를 설명하기 위해 완전히 새로운 물리학을 가정할 필요가 없다는걸 의미하기 때문에 매우 중요합니다.

만약 당신이 다른 누군가에게 블라인드테스트로 스타팅 데이터를 준다면
그들은 DFT실행 후 "당신도 알다시피 이건 정말 좋은 초전도체가 될 수 있을 것 같네요.."라고 말했을 겁니다.

 

 

 

. ." Here's Griffin:

I present the calculated spin-polarized electronic structure in Fig. 3. Remarkably, I find an isolated set of flat bands crossing the Fermi level, with a maximum bandwidth of ∼130 meV (see Fig.4) that is separated from the rest of the valence manifold by 160 meV. Such a narrow bandwidth is particularly indicative of strongly correlated bands. . .unlike other correlated-d band superconductors, in this system the Cu-d bands are particularly flat – there is minimal band broadening from neighboring oxygen ions. If previous assumptions about band flatness driving superconductivity are correct, then this result would suggest a much more robust (higher temperature) superconducting phase exists in this system, even compared to well-established high-TC systems.

 

여기 그리핀이 있습니다:

나는 그림3에 계산된 스핀 편광 전자구조를 제시합니다.
놀랍게도 페르미준위를 가로지르는 최대대역폭이 130meV (Fig4 참조)로 나머지 원자가 다양체에서 160메가와트로 분리된 고립된 세트를 찾을 수 있었습니다.

이러한 좁은 대역폭은 특히 상관관계가 강한 밴드를 나타냅니다.

다른 상관관계의 d 밴드 초전도체와 달리, 이 시스템에선 구리(Cu)-d 밴드는 특히 평평합니다. - 인접한 산소 이온에서 밴드 확장이 최소화 됩니다.

만약 밴드 평탄도가 초전도성을 유도한다는 이전 가정이 맞다면, 이 결과는 이 시스템 상에서 훨씬 더 견고한(높은 온도) 초전도성 단계의 존재를 시사합니다.  잘 확립된 높은 하이테크 시스템과 비교해도 마찬가지입니다.

 

 

 

If you're not a solid-state band theory person (no disgrace!), the Fermi level is the theoretical energy for an electron in a solid material where it would have a 50% chance of occupying that energy level at any given time - sort of the "natural home" for mobile conducting electrons in a given material. Electrons in solids are modeled as occupying a series of "bands" of different energies, separated by band gaps. If a material is an insulator, that means that its Fermi level is sitting inside a wide band gap, and its electrons will not be able to give you any current. Metals, on the other hand, have one or more bands that land at the Fermi level (in semiconductors, in case you're wondering, the Fermi level sort of "grazes" the bands, close enough to where thermal energy can move some electrons into them).

 

당신이 고체밴드이론(solid-state band)을 모르는 사람이라고 생각하고 설명한다면 (불명예가 아닙니다!)
페르미준위는 고체물질의 전자에 대한 이론적인 에너지입니다.
이곳은 주어진 시간에 에너지 준위를 차지할 확율이 50%인 곳으로 이동 전도성 전자(mobile conducting electrons)의 일종의 '천연의 집' 역할을 합니다.

고체안의 전자는 밴드갭(밴드gap(틈))으로 분리된 서로 다른 에너지의 일련의 "밴드"를 차지하는 것으로 모델링됩니다.

만약 물체가 절연체라면, 페르미준위는 안쪽에 넓은 밴드갭이 있고, 이는 전자를 당신에게 줄 수 없을 것입니다.
반면에 금속은, 페르미준위에 도달하는 하나 이상의 밴드가 있습니다.

(혹시 궁금할까봐 적는데 반도체의 경우 페르미 준위의 밴드는 "스칠정도로" 정렬되어 있습니다. 열 에너지가 그 안에 있는 전자로 이동할 수 있을 정도로 충분히 가깝습니다.)

 

 

Griffin's paper goes on to say that these results hold for substitution of copper atoms into the Pb(1) location in the lead apatite structure, as reported by the original preprints, but that her calculations suggest that substitution into another location, Pb(2) seems to be energetically more favorable, "suggesting possible difficulties in robustly obtaining Cu substituted on the Pb(1) site". This then would be a source of variability in reproducing LK-99, or at the very least in getting a particularly clean bulk sample of it.

 

그리핀의 논문은 다음과 같이 말합니다

이러한 결과는 오리지널 프리프린트에서 리포트 된 바와 같이 납인회석 구조의 Pb(1)위치로 구리원자가 치환을 유지합니다. 
하지만 그녀의 계산은 구리원자가 다른 위치에 치환됨을 제시합니다.

Pb(2)쪽이 에너지적으로 더 유리한 것으로 보입니다.
"Pb(2)는 Pb(1) 쪽에서 대체물인 구리Cu 원자를 얻는데에 있어 어려움을 제시함"

이것은 LK-99를 재현하거나 적어도 특히 깨끗한 벌크 샘플을 얻는 데 변동성의 원인이 될 것입니다.

 

 

 

Meanwhile, as mentioned the Shenyang group has very similar conclusions (as they should; both they and Griffin are using the same DFT software package!) The starting lead apatite is a very good insulator, but the structural changes on bringing in the copper atom both match the experimental data from the Korean preprints and lead to a very large shift to a metallic state. They find a half-filled flat band and a fully-occupied flat band around the Fermi level, and agree that these are crucial to investigate for the reported superconductivity. They also predict that substituting gold atoms into the Pb(1) site could lead to a material with very similar properties, which will be an extremely interesting idea to put to the test.

한편, 앞서 언급했듯이 선양 팀은 매우 유사한 결론을 내렸습니다(그들도 그리핀그룹과 똑같은 DFT소프트웨어 패키지를 사용합니다!)
시작할때 납인회석은 매우 우수한 절연체이지만 구리 원자를 가져올 때의 구조적 변화는 모두 한국 프리프린트의 실험 데이터와 일치하며 금속 상태로 매우 큰 변화를 이끕니다. 

 연구진은 페르미 준위 부근에서 반쯤 채워진 플랫(평평한)밴드와 완전히 채워진 플랫밴드를 발견했으며, 보고된 초전도성을 조사하는데 이것이 중요하다는데에 동의합니다.

그들은 또한 금 원자를 Pb(1) 부위에 대체하는 것이 매우 비슷한 특성을 가진 물질로 이어질 수 있다고 예측했으며, 이것은 테스트에 사용하기에 매우 흥미로운 아이디어가 될 것입니다.

 

 

 

Here's more from their preprint:

In addition, the PO4 units surrounding the cylindrical column formed by Pb2 atoms also exhibit insulating characteristics, leading to a one-dimensional-like conduction channel along the c axis mediated by the 1/4-occupied O2 atoms. More interestingly, we observed four VHSs on these two flat bands, originating from the saddle dispersions at the M and L points in the Brillouin zone [see Figs. 2(e), (f) and (g)]. This indicates that the electronic properties are fragile in response to structural distortions at low temperatures.

 

여기 그들의 프리프린트에 더 많은 내용이 있습니다.

추가로 Pb2원자로 구성된 원통형 기둥을 둘러싼 PO4 유닛들도 절연특성을 나타내어 1/4점유된 O2원자에 의해 매개되는 c축을 따라 1차원과 같은 전도 채널로 유도합니다. 

더 흥미롭게도, 우리는 이 두 플랫밴드에서 4개의 VHS를 관찰했습니다.

브릴루인존의 M과 L 지점의 안장점에서 비롯된 것입니다.
이는 전자 특성이 저온에서 구조적 왜곡에 취약하다는 것을 나타냅니다.
 

 

 

They don't go into the possible lower-energy substitution at the Pb(2) site, but the above warning about fragile electronic properties might also explain some of the variability in the behavior of the material (although it has to be balanced with the original report of superconductivity up past the temperature of boiling water!) It also highlights something that occurred to me when I read the original preprints: if you could grow a good single crystal of LK-99, it seems as if the superconductivity might only occur along one crystal axis: put crudely, you'd see superconductivity if you hooked your wires to two particular opposite faces of said crystal, but not to the others! Crystalline grain boundaries are already known to be a big deal in the efficiency of existing superconducting materials, and this would mean that polycrystalline samples of LK-99 would be pretty unfavorable to demonstrating robust effects.

 

그들은 Pb(2)쪽에서의 저에너지 치환 가능성에 대해선 언급하지 않았습니다.

하지만 위에서 경고한 취약한 전자특성 또한 물질상태의 변동성에 대한 설명이 가능합니다.
(비록 끓는 물의 온도를 넘어서는 초전도에 대한 원래 보고서와 균형을 맞춰야 하지만!)

또한 이건 원본 프리프린트를 읽을 때 생각난 것을 강조합니다.
만약 당신이 LK-99의 좋은 단결정을 성장시킬 수 있다면, 초전도는 단지 하나의 결정 축을 따라서만 발생할 수 있는 것 같습니다: 
좀 조잡하게 말하자면,
결정의 양쪽에 와이어를 연결하면 한쪽면에서는 초전도성을 볼 수 있을것입니다.
하지만 다른쪽은 그렇지 않습니다!  결정질 입자 경계는 이미 현존하는 초전도 물질의 효율에 있어서 큰 문제로 알려져 있습니다,
이는 다결정 샘플인 LK-99가 강력한 효과를 입증하는 데 상당히 불리할 수 있다는 것을 의미합니다.

 

 

 

Conclusion

I am guardedly optimistic at this point. The Shenyang and Lawrence Berkeley calculations are very positive developments, and take this well out of the cold-fusion "we can offer no explanation" territory. Not that there's anything wrong with new physics (!), but it sets a much, much higher bar if you have to invoke something in that range. I await more replication data, and with more than just social media videos backing them up. This is by far the most believable shot at room-temperature-and-pressure superconductivity the world has seen so far, and the coming days and weeks are going to be extremely damned interesting.

 

 

결론

나는 이 시점에서 조심스럽게 낙관적입니다.

선양과 로렌스 버클리의 계산은 매우 긍정적인 발전이며,

우리는 "설명할 수 없음"이라는 얼어붙은 상태에서 한발짝 빠져나올 수 있었습니다.

새로운 물리학(!)으로 설명하는게 문제는 아니지만. 그런범위에서 무언가를 얻어내려면 훨씬 더 높은 넘어야 할 허들을 설정해야 합니다.

 

더 많은 복제 데이터와 이를 뒷받침하는 소셜 미디어 비디오 이상의 데이터를 저는 기다리고 있습니다.

 

이것은 지금까지는 볼 수 없었던 가장 믿을만한 실온-대기압-초전도 샷입니다.

 

앞으로 며칠, 몇 주는 엄청나게 흥미로울 것입니다.

 

https://www.science.org/content/blog-post/room-temperature-superconductor-new-developments

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