État actuel du supraconducteur LK-99 : deux réplications ratées et une nouvelle explication théorique prometteuse

Le matériau chaud, LK-99, promet d’être un supraconducteur à température et pression ambiantes ; plus d’une quinzaine de groupes de recherche reproduisent ce résultat. Les premières tentatives, une indienne et une chinoise, sont publiées sur arXiv, les deux sont négatives : LK-99 n’est pas un supraconducteur à température ambiante. Les deux articles répètent la synthèse du matériel de Lee et Kim, étape par étape, produisant un diagramme de diffraction des rayons X très similaire au leur. Cependant, le matériau obtenu présente des propriétés électriques et magnétiques très différentes. LK-99 est un semi-conducteur à température ambiante ; Il ne présente pas de diamagnétisme (il ne lévite donc pas sur un aimant permanent). Mais sur les réseaux sociaux, de nombreuses personnes louent une étude théorique prometteuse publiée sur arXiv ; En utilisant le simulateur VASP basé sur la théorie fonctionnelle de la densité, la structure cristalline de LK-99 est simulée. On observe que la structure électronique présente des bandes plates (lorsque le cuivre dopant remplace les ions plomb appropriés, mais pas lorsqu’il remplace les autres). L’espoir des optimistes est que les premières synthèses de LK-99 n’ont pas réussi à synthétiser le matériau approprié. Peut-être devez-vous construire le matériau couche par couche, comme le matériau de van der Waals, pour obtenir une structure cristalline parfaite. Bien qu’il faille se rappeler que l’existence de bandes plates n’implique pas d’états supraconducteurs (en fait, on ne sait pas si dans le graphène bicouche tourné avec un angle magique, les bandes plates sont la clé de la supraconductivité). Il faudra attendre de nouvelles réplications, mais tout pointe très mal. Désolé, pour l’instant, LK-99 est un raté.

Comme je l’ai déjà indiqué dans “Mes doutes sur le LK-99, le supposé supraconducteur à température et pression ambiantes” (LCMF, 26 juillet 2023), la synthèse de Pb_10-xCu_X(APRÈS₄)₆Ou c’est très simple. Le groupe chinois a combiné PbO et PbSO₄ avec une molarité de 1:1 dans un four à 725 °C pendant 24 heures pour obtenir du Pb₂DONC₅, qui s’avère être un diamagnet typique. Ensuite, vous avez combiné P et Cu avec une molarité de 1: 3 dans un four à 550 ° C pendant 48 heures pour obtenir Cu₃P, qui s’avère être un paramagnétique typique. Enfin, ils combinent Pb₂DONC₅ y Cu₃P avec une molarité de 1:1 dans un four à 925 °C pendant 10 heures pour obtenir du Pb₂DONC₅, qui s’avère être un diamagnet typique. Ensuite, vous avez combiné P et Cu avec une molarité de 1:3 dans un four à 550°C pendant 48 heures pour obtenir Pb_10-xCu_X(APRÈS₄)₆Ou, qui s’avère être un semi-conducteur typique. Alors que le groupe indien utilise le même protocole de synthèse (à la seule différence que le PbSO₄ Il est synthétisé avec la réaction Pb(NO₃)₂O+ Par₂DONC₄ → PbSO₄ + Pb(NON₃)₂O+ Par₂DONC₄). Pour le reste tout est pareil, bien qu’ils affirment avoir obtenu Pb₉Avec (PO₄)₆Ou, c’est-à-dire LK-99 avec x = 1. Les diffractogrammes de rayons X des deux groupes indiquent que leur matériau est similaire en pureté au LK-99 de Lee et Kim, mais ne lévite pas à température ambiante; de plus, il se comporte comme un paramagnétique. La différence entre les Indiens et les Chinois est que les premiers n’ont pas mesuré la résistivité, car ils considèrent que ladite mesure pourrait être faussée par la méthode de mesure.

Le fait que les deux premières tentatives de réplication qui publient leurs résultats sur arXiv aient échoué ne signifie pas que le problème est résolu. Mais il souligne que de nombreuses autres tentatives de réplication seront publiées dans quelques semaines. Pour l’instant, tout indique que LK-99 n’est pas le Saint Graal de la supraconductivité. En tant que théoricien, il ne peut que se souvenir de ne plus jamais dire jamais. Les articles sont Li Liu, Ziang Meng, …, Zhiqi Liu, « Semiconducting transport in Pb_10-xCu_X(APRÈS₄)₆O fritté à partir de Pb₂DONC₅ et Cu₃P », arXiv : 2307.16802 [cond-mat.supr-con] (31 juillet 2023), deux : (son format indique qu’il a été envoyé à un journal du groupe Nature); Kapil Kumar, NK Karn, VPS Awana, « Synthèse d’un possible supraconducteur à température ambiante LK-99 : Pb9Cu(PO4)6O », arXiv : 2307.16402 [cond-mat.supr-con] (31 juillet 2023), deux : https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.16402; enfin, el artículo teórico es Sinéad M. Griffin, «Origine des bandes plates isolées corrélées dans l’apatite de phosphate de plomb substituée par le cuivre», arXiv: 2307.16892 [cond-mat.supr-con] (31 juillet 2023), deux : (a un format qui pointe vers un magazine APS, peut-être Lettres d’examen physique).

J’aime moins l’article indien que le chinois, qui est beaucoup plus soigné et dont la lecture est fortement recommandée. Les résultats ne laissent aucun doute, à température ambiante (300 K) et pression ambiante il n’y a aucune trace de supraconductivité. De plus, la résistivité augmente lorsque la température diminue entre 300 K et 150 K, ce qui est attendu pour un semi-conducteur. Pour un champ magnétique appliqué de 1 millitesla, aucun comportement diamagnétique n’est observé (comme observé par Lee, Kim et leurs coauteurs), et pour un champ appliqué de 0,5 tesla, un comportement paramagnétique est observé. Les chiffres du groupe chinois (illustrés ici) ne laissent aucun doute ; les chiffres ne sont pas non plus le groupe indien. Le seul doute possible sur ces deux réfutations est que le matériau LK-99 n’a pas été synthétisé, mais un matériau très similaire du point de vue du diffractogramme des rayons X.

L’espoir est la dernière chose que vous perdez. L’article théorique de Sinéad M. Griffin (LBNL, Berkeley, Californie) nous offre une lueur d’espoir, quoique toujours avec une pincée de sel. Elle a utilisé le logiciel VASP (Package de simulation ab initio de Vienne), basé sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), pour simuler LK-99 à l’aide d’un modèle qui inclut une correction Hubbard-U pour tenir compte des états électroniques de type d du dopant Cu ; elle a utilisé trois valeurs, U = 2, 4 et 6 eV, avec les meilleurs résultats pour U = 4 eV. Des bandes très plates associées aux niveaux d sont observées._yz/d_zz de Cu autour du niveau de Fermi (sur la figure, la ligne noire en pointillés avec une valeur de 0,00, avec les bandes orange plates autour d’elle). Ces bandes plates traversant le niveau de Fermi rappellent les bandes plates du graphène bicouche à angle magique (MATBG). Griffin suggère qu’ils peuvent être interprétés comme un signe que LK-99 pourrait être supraconducteur. Mais attention, personne n’a montré que les bandes plates sont essentielles pour la supraconductivité dans MATBG. Dans les réseaux sociaux, il y a un certain remue-ménage autour de ce résultat théorique, mais il faut être très prudent, au moins autant que Griffin dans son propre article. Tout ce qu’il dit, c’est que les apatites phosphatées dopées méritent d’être étudiées comme candidats pour un matériau supraconducteur.

Une grande partie de l’article de Griffin est consacrée à confirmer que la structure cristalline qu’il a utilisée dans la simulation correspond à celle de LK-99 (au moins comme indiqué dans les articles de Lee et Kim). Deux dopages possibles ont été simulés, la substitution de Cu dans les ions plomb Pb(1), rose sur la figure, comme le rapportent Lee et Kim, et dans les ions Pb(2), violet sur la figure ; dans le premier cas les bandes plates d sont observées, mais dans le second cas elles ne le sont pas. Par conséquent, dans la synthèse de LK-99, il est nécessaire de s’assurer que les ions plomb sont dopés avec du cuivre dans la bonne position. Ce qui m’a le plus surpris, c’est que, d’après ses calculs, il est 1,08 eV énergétiquement plus favorable que les ions Cu remplacent Pb(2) que Pb(1) dans le dopage. C’est peut-être là que réside l’explication de l’impossibilité de reproduire la supraconductivité potentielle de LK-99 ; peut-être que les groupes indiens et chinois ont obtenu un LK-99 dans lequel le Pb(2) a été dopé au cuivre, au lieu du Pb(1). Ce serait le seul espoir pour ceux qui professent une foi aveugle en Lee et Kim. Peut-être que son protocole de synthèse cache un secret qui favorise le dopage correct. Cela étant dit, ne dites jamais jamais.