LK-99, 실온·상압 자기부상 성공 보고

 (arxiv.org)
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  • 변형 납 인회석 LK-99 결정에서 실온·상압 자기부상 샘플을 얻었다는 후속 실험 결과로, 기존 Sukbae Lee 샘플보다 더 큰 부상 각도가 관찰됐다고 보고함
  • 합성은 Lanarkite와 copper phosphide 전구체를 거치는 고상법 기반이며, 10^-2 Pa 조건에서 Pb10-xCux(PO4)6O 조성의 목표 물질을 제조함
  • 자화-온도 측정에서 벌크 샘플은 ZFC/FC에서 약 326 K·299 K 전이를, 자석 반발로 선별한 마이크론 결정은 약 340 K 전이를 보임
  • 마이크론 결정은 강자석 접근 시 기판에 대해 수직으로 서는 부상 현상을 보였고, 별도 인력 테스트에서는 자석에 끌리지 않아 강자성 효과를 배제했다고 밝힘
  • 결과는 결정성 및 Cu 도핑이 중요하다는 해석으로 이어지지만, 상온 전기적 테스트 같은 추가 검증이 남아 있음

LK-99 합성과 검증 목표

  • Sukbae Lee 등은 변형된 납 인회석 결정 LK-99가 실온·상압에서 초전도성을 보일 수 있고, 초전도 전이온도 Tc가 400 K보다 높으며 Meissner 부상 현상이 나타난다고 주장한 바 있음
  • 이번 연구진은 LK-99 결정을 합성해 실온에서 자기부상 가능한 샘플을 얻었다고 보고함
  • 관찰된 부상 각도는 Sukbae Lee 샘플보다 더 크다고 밝힘

합성 방법과 샘플 특성

  • LK-99 샘플은 Pb10-xCux(PO4)6O, 0.9 < x < 1.1 조성으로 성장됨
  • 합성에는 Sukbae Lee 등이 보고한 방식과 유사한 고상법이 사용됨
    • Lanarkite, 즉 Pb2(SO4)O 전구체를 합성함
    • copper phosphide, 즉 Cu3P 결정을 합성함
    • 이후 목표 생성물 LK-99를 합성함
  • 모든 반응은 10^-2 Pa 조건에서 수행됨
  • 결정 구조는 네 개의 Pb(2) 원자 중 하나가 Cu 원자로 치환된 형태로 제시됨

자화-온도 측정 결과

  • 물성 측정 시스템 PPMS DynaCool로 LK-99 샘플의 자화-온도 곡선을 측정함
  • 측정은 10 Oe 자기장을 가한 상태에서 ZFC와 FC 모드로 진행됨
  • 샘플 1은 거시적 회흑색 벌크 샘플임
    • ZFC 곡선에서 약 326 K의 반자성 전이가 나타남
    • FC 곡선에서는 약 299 K의 반자성 전이가 관찰됨
    • 이 결과는 Sukbae Lee가 앞서 보고한 결과와 유사하다고 평가됨
  • 샘플 2는 자석 반발로 선별한 마이크론 결정임
    • 삼각형 형태이며 한 변 길이는 약 120 μm, 두께는 약 20 μm임
    • 반자성 전이온도는 약 340 K로, 거시적 샘플보다 약간 높음
  • 연구진은 샘플 2가 더 높은 순도와 결정성, 더 나은 Cu 도핑을 가진 것으로 해석함

실온·상압 자기부상과 강자성 배제

  • 샘플 2는 실온·상압에서 자기부상 현상을 보임
  • 강자석이 가까워지면 샘플이 상승해 기판에 대해 완전히 수직으로 섬
  • 자석이 멀어지면 샘플은 다시 기판 위로 떨어짐
  • 이 부상 각도는 Sukbae Lee 샘플보다 크다고 밝힘
  • 별도 인력 테스트에서 샘플 2는 강자석에 끌리는 반응을 보이지 않음
    • 연구진은 이를 근거로 샘플 2의 강자성 효과를 배제함
  • 보조 영상:

해석과 남은 검증

  • 샘플 간 반자성 차이는 인산염 산화물에서 구리-산소 유도 전자 밴드 구조 변화가 잠재적 초전도 메커니즘과 관련될 수 있음을 시사한다고 해석함
  • 연구진은 여러 이론 연구가 이 방향을 뒷받침한다고 연결함
  • 결론적으로 LK-99 물질에서 일관된 반자성 전이와 큰 부상 각도를 실온·상압에서 얻었다고 정리함
  • 결정성 및 적절한 Cu 도핑이 핵심 조건으로 강조됨
  • 상온에서의 전기적 테스트 같은 더 일관된 검증이 인산염 산화물의 잠재력을 확인하는 데 필요함
  • 데이터는 합리적 요청이 있을 때 교신저자에게서 받을 수 있으며, 경쟁 이해관계는 없다고 밝힘

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 이번 논문은 발견을 빨리 알리려고 급히 만든 건 이해하지만, 실험 과정의 핵심 정보가 너무 많이 빠져 있어서 답답함
    “모든 반응은 10^-2 Pa에서 수행”이라고만 쓰면 부족함. 절대압을 말하는 건 알겠지만, 진공 오븐인지, 밀봉 석영 바이알인지, 아르곤 퍼지인지 공기인지 같은 정보가 필요함
    온도 프로파일도 승온 시간과 유지 시간은 보이지만 냉각 속도와 종료 시간이 없음. 바로 꺼내 공랭했는지, 상온까지 진공을 유지했는지도 재현성에 중요함
    이런 세부사항은 논문에 넣는 데 시간이 거의 안 드는데도 빠져 있고, 이런 태도가 과학에서 재현을 어렵게 만든다고 봄

    • 쉬운 세부사항을 더 넣었으면 좋겠다는 점에는 동의하지만, 10^-2 Pa 자체는 표준 대기압 101,325 Pa에 비해 명백히 진공으로 이해됨
      그래도 완전성을 위해 “진공”이라고 한 단어만 덧붙였으면 더 좋았을 것임. 예전 수은 게이지의 0~30 눈금도 혼란스러웠던 기억이 있음
    • 왜 10^-2 Pa로 부족한지 모르겠음. 당연히 절대압을 뜻하는 것 아닌가 싶고, “진공의 10^-2”라는 표현은 무슨 뜻인지 애매함
    • 이렇게 빨리 공개해서 개인적으로 얻는 이익이 뭔지 궁금함. 단순히 소셜 미디어 관심 때문인가 싶음
    • 지적은 타당하고, 이런 순간일수록 지속적인 가르침과 학습, 전 세계적 동료 검토의 중요성이 드러남
      Arxiv 같은 공개 출판을 넘어 협업 공간이 있는 진짜 열린 과학으로 발전하길 기대함
    • 혹은 수익성 있는 스핀오프를 기대하고 공정 세부사항을 일부러 감추는 중일 수도 있음

  • 지난 한 주는 Bardeen과 Brattain의 트랜지스터 발명 이야기를 떠올리게 함
    처음엔 겨우 작동했고 탁자만 건드려도 망가질 정도였으며, 공로를 주장한 세 번째 인물도 있었음. 회의적으로 보고 싶은 마음도 있지만, 재현이 어렵다는 건 오히려 꽤 정상적으로 느껴짐. 다른 사람들이 이제 작동에 성공했다는 점이 흥미로움

    • 발명은 여러 곳에서 거의 동시에 나오는 경우가 많음. 아주 가까이까지 갔지만 마지막을 못 맞춘 사람들이 또 있었을지 궁금함
    • 흥미롭게도 Bardeen은 나중에 두 연구자와 함께 전통적 초전도 이론을 세워 또 노벨상을 받았음. Shockley에 대해서는 뭐가 문제인지 궁금함

  • 왜 이 물질이 초전도체인지 입증하려고 부상, 반자성 같은 우회적인 방법을 쓰는지 궁금함
    그냥 전류가 저항 없이 흐르는지 측정하면 안 되는 이유가 뭔가 놓치고 있는 듯함

    • 현재 제조 공정으로는 LK-99 입자가 섞인 덩어리만 얻는 수준이라, 순수한 LK-99 덩어리를 만들지 못하면 진짜 저항을 측정하기 어려움
    • 실제 0저항을 측정하는 건 꽤 어렵고, 특히 작은 시료에서는 전문 장비가 필요하다고 들었음. 그게 이유의 일부일 수 있음
    • 외부 요인을 배제하기가 어려움. 예를 들어 탐침이 잘못 붙어도 0저항처럼 보일 수 있음
      반자성을 보이는 건 초전도 효과를 보여주는 비교적 오류가 적은 방법 중 하나로 이해함
    • 정확한 결정 구조 합성이 매우 어려운 것으로 보임. 납 원자 10개 중 정확히 1개가 구리로 치환되어야 하니 시료가 작고 불균질함
      완벽한 물질을 대량 생산하기 전까지는 저항률 측정이 큰 의미를 주기 어려움
    • 0옴은 직접 측정할 수 없음. 어떤 저항 측정 장치든 항상 측정 가능한 최솟값이 있음
      그래서 자기장 속에서 모든 초전도체가 보이는 이상한 현상, 예를 들어 자기 부상을 보는 편이 더 쉬움

  • 며칠 전 영상이 올라왔던 것과 같은 사례로 보임: https://news.ycombinator.com/item?id=36953396
    당시에는 이게 초전도인지 단순 반자성인지 많이 물었는데, 새 논문이 그 질문에 답을 주는지 궁금함

    • 논문은 물질을 냉각할 때 반자성으로 가는 뚜렷한 상전이를 보여줌. 이는 초전도체에서는 보이지만 일반 반자성 물질에서는 보통 보이지 않음
      자기장이 있을 때 전이 온도가 낮아지는 점도 큼. 논문이 조작이 아니라면 단순 반자성 이상의 일이 벌어진다는 가장 강한 긍정 증거로 보이며, 처음으로 가능성을 50% 이상으로 보게 됨
    • 두 가지 면에서 답을 줌. 첫째, 온도와 자기 모멘트 그래프에서 가열 시 LK-99가 초전도체라고 주장되는 온도 부근에서 반자성을 잃음
      둘째, 초전도체만 순자기장이 0이 되어 “안정적인” 부상을 보일 수 있음. 영상에서 자석을 가까이 대고 뒤집어도 조각이 대체로 제자리에 있음
      일반 반자성체는 외부장이 가해진 방향을 따라가므로 옆으로 움직일 가능성이 크고, 그래서 보통 Halbach 배열로 힘을 상쇄해 제자리 부상을 만듦
    • PPMS, 즉 자동화된 물성 측정 시스템으로 얻은 자화-온도 정량 데이터가 있음
      약 320K에서 어떤 형태의 반자성 전이가 있다는 강한 증거를 보여줌. 초전도 때문인지와 별개로, 이 물질에 흥미로운 자기적 성질이 있을 가능성은 매우 커 보임
    • 이 글에도 같은 영상 URL인 https://www.bilibili.com/video/BV14p4y1V7kS/가 링크되어 있음. 새 내용은 없어 보임

  • Varda 팀이 반자성을 보여주는 고해상도 영상을 올렸음: https://twitter.com/andrewmccalip/status/1687405505604734978

    • 초보 질문인데, 무슨 일이 일어나든 시료 한쪽 끝을 들어 올릴 만큼 강하다면 왜 양쪽을 다 들어 올리지 못하는지 궁금함
      중력은 전자기력보다 훨씬 약한데, 시료에 걸리는 중력과 거의 맞도록 장치를 보정한 건가? 조금 더 밀어 올려서 용기 뚜껑까지 날아가게 하지 않는 이유가 궁금함
    • Nitter 링크: https://nitter.net/andrewmccalip/status/1687405505604734978#...
    • 드디어 2000년대 초 캠코더로 찍은 것 같지 않은 영상 품질이 나왔음
    • 대화를 그대로 남겨둔 게 멋짐
    • 시연용이라면 더 강한 자석과 작은 유리관을 써서 위로 조금 미끄러져 올라가게 하는 부상 실험을 해볼 것 같음
      아직 불필요한 무게를 제거하려고 시료를 자르는 “암석 수술”은 하지 않겠음. 일반적으로 열분해 흑연판에 쓰는 4개 자석 체커보드 배열은 시료가 평평하지 않아 안 될 수도 있음
      자석을 뒤집어 보는 것도 유용하고, 특정 온도에서 떨어지는 걸 보이도록 가열하는 것도 좋아 보임. 이 경우 100°C 미만이면 될 것 같음. 어쨌든 시연 효과와 좋은 영상 품질은 중요함

  • https://en.wikipedia.org/wiki/LK-99#Replication_attempts
    이 Wikipedia 문서가 지금까지의 재현 시도를 이 논문까지 포함해 잘 정리하고 있음

    • 더 읽어보니 이미 제1원리 기반의 이론 연구가 많이 진행됐다는 점이 놀라움. 모두 초전도 가능성을 지지하는 듯하고, 과학치고는 굉장히 빠른 속도임

  • 검증되는 것처럼 보일수록 몇 년 만에 처음으로 실제로 소름이 돋음. 좋은 의미에서임
    이게 가져올 변화는 Faraday, Volta와 17~18세기 과학자들이 전기의 원리를 알아내기 시작했을 때와 맞먹을 수 있음. 그들도 이후 한 세기 동안 삶의 모든 면이 얼마나 바뀔지 몰랐음

    • 상온·상압 초전도체가 오랫동안 물리학의 성배였던 데는 이유가 있음. 함의가 엄청남
      입자물리학을 했었는데, 복잡한 시스템 중 상당수는 초전도 자석을 충분히 차갑게 식히는 장치였음. 상온에서 가능하면 그 전체 냉각 시스템이 필요 없어짐
      핵융합로도 초전도 자석에 의존하므로, 미래 핵융합로에 큰 영향을 줄 수 있음. JET처럼 과열되기 전 몇 초만 자석을 돌리는 식의 제약도 줄어듦

  • 상온 초전도라는 개념은 이론적으로 이해하지만, 실제로 이게 맞다면 세상이 어떻게 바뀔지 감이 잘 안 옴

    • CT는 큰 이온화 방사선 때문에 자주 찍을 수 없고, 초음파는 특정 부위를 보는 저해상도 스포트라이트에 가까움
      이게 가능해지면 매년 건강검진에서 MRI를 찍을 수 있음. 수많은 질병과 암의 95%를 진단할 수 있고, 매년 이전 스캔과 자동 비교해 형태 변화가 있으면 생검할 수 있음
      의료 과학도 혁명적으로 바뀜. 지금은 양성 종양이 사람들에게 어떻게 존재하는지 데이터가 너무 적어, 덩어리가 문제인지 보려면 다른 증상이 있는지 묻는 수준임. SQUID 같은 새 의료기기도 가능해짐
      지하 영상 MRI도 고고학, 고생물학, 지질학, 자원 탐사에 도약을 줄 수 있음. 사막을 차로 달리며 화석, 단층, 광물 신호를 찾을 수도 있음
      발사 루프를 쓰면 우주 여행 비용도 사실상 거의 없어지고, 장거리 이동도 싸고 오염이 적어짐. 전기만으로 저궤도에 도달하거나 비행기를 음속의 몇 배로 가속할 수 있음
      전력망 저장, 피크 발전소, 부하 추종은 거의 구식이 될 수 있음. 초전도 가공선이 모든 나라를 연결하고, 미국 핵분열 전기로 중국 공장을 돌리거나 호주 태양광으로 캐나다 집을 데울 수 있음. HVDC 연결도 구식이 되고, 결국 교류 전력에서 벗어날 수도 있음
      CPU는 10~50% 더 효율적일 수 있고 GPU는 그 이상일 수 있음. 과부하된 전선은 더 이상 전도하지 않게 되어 화재, 특히 주택 화재도 줄어들 수 있음
    • 실제로 만들 수 있고 비싸지 않다면 잠재력은 큼. 더 효율적인 터빈과 태양광 패널, 핵융합, 고성능 저전력 컴퓨팅, 고급 양자컴퓨팅의 대중화까지 가능성이 있음
      진정으로 재현 가능하고 산업적으로도 가능하다면 1960년대식 변화 속도가 다시 올 수도 있다고 느낌
      다만 핵융합까지 포함해도 CO2 배출 감축, 생활 방식 변화, 소비 최소화, 이미 확정된 기후 영향 대응은 여전히 필요함
      그래핀 기반 집적회로와 광컴퓨팅 진전도 궁금함. 2030년까지 초전도체 기반의 새로운 Lisp Machine을 보고 싶음. “오픈소스” 납 취급은 별로일 수 있겠지만, 미래는 발명하는 것이라는 Alan Kay식 태도에는 맞음
    • 다들 중요한 응용을 말하지만, 개인적으로는 자속 고정을 쓰는 자기부상 Hot Wheels 트랙만 있으면 됨
      상온 초전도체가 가능하게 할 멋진 장난감들을 상상해보면 됨
    • 인도에 아무렇게나 놓여 있는 Bird 스쿠터들이 있듯, 상온 초전도체가 있으면 호버 스쿠터가 인도를 어지럽히게 될 것임
      그리고 허가 문제로 못 짓는 고전압 송전선도 실제로 지으면 에너지 손실이 0이 되겠지만, 아마 안 지을 것임
    • 지금은 누구도 확실히 말하기 어렵지만, 가격이 충분히 내려가면 크게 두 부류가 생김
      첫째, 이미 초전도체를 쓰는 장치들이 냉각을 하지 않아도 되어 훨씬 싸게 만들고 운영할 수 있음. MRI, 특정 센서, 핵융합 연구용 고출력 자석, 대형 발전기와 모터가 여기에 들어감
      둘째, 초전도체가 개선을 주지만 지금은 경제적·실용적으로 말이 안 되는 장치들임. 어떤 게 성공할지는 추측에 가깝지만, 컴퓨팅 칩, 추가 센서, 영구 부상 조각 같은 예술 작품, 소형 모터와 발전기 등이 가능해 보임
      0저항이나 자기장 배척으로 혜택을 볼 아직 상상하지 못한 범주도 많을 것임

  • 이 이야기에서 다소 아이러니한 점은, 무단 공개한 전 직원이 이걸 세상에 꺼낸 공로를 받을 수도 있다는 것임
    연구진은 오래 작업해왔지만, 이제 전 세계가 연구하고 다른 방법과 재료 조합을 탐색하고 있을 것임. 원 설계를 개선하고 특허를 피하려는 시도도 있을 수 있음
    그 전 직원이 밝히지 않았다면 얼마나 더 오래 감춰졌을지 모르며, 인류에 도움이 되도록 세상에 나와야 한다는 동기가 있었을 수도 있음

    • 더 일찍 출판하지 못한 큰 이유가 여러 개 있었을 것 같음. 연구진은 확신했지만 남을 설득할 증거가 부족했을 가능성이 큼
      해당 분야에 최근 선정적 사기 사건도 있었으니 저널이 매우 회의적이었을 것임. 설득력 있는 실험과 독립 연구소에 시료를 보내는 작업을 포함한 논문을 준비 중이었는데, 사실상 가진 것을 서둘러 공개하도록 몰렸고 그래서 주장이 더 약해 보였을 수 있음
    • 정확히 말해 99는 1999를 뜻하므로, 이 물질은 잠재적으로 20년 넘게 존재했을 수 있음
      10년 전부터 훨씬 넓은 규모로 시험과 재현을 시작할 수도 있었는데, 연구를 이렇게 천천히 퍼뜨려서 얻은 이익이 무엇인지 모르겠음
    • “크로아티아 과학자들은 탄산납과 납·은 산화물 혼합물인 자신들의 물질에서 약 30°C까지 전류가 쉽게 흐를 것이라고 말한다”는 내용이 있음
      Danijel Djurek이 1980년대 후반 초전도 세라믹 혼합물을 발견했다고 주장했지만, 구조와 조성을 확정하지 못했고 크로아티아가 유고슬라비아에서 분리된 뒤 전쟁으로 연구가 중단됐다고 함
      발췌 출처: http://www.rexresearch.com/djurek/djurek.htm
    • 공개된 제조 설명이 엉성한데도 재현에 성공했다는 주장이 사실이라면, 실제로는 재현이 그렇게 어렵지 않은 것임. 그런데도 아직 논문을 내지 않았다는 점이 놀라움
      이는 상업적 이유, 특히 특허 때문에 공개를 두고 갈등했을 가능성을 시사함. 남들이 재현하기 전에 팔 수 있는 제품을 만들려 했을 수도 있음
      그래서 무단 공개한 전 직원은 이걸 세상에 꺼낸 공로를 확실히 받을 만하고, 인류는 그를 낙인찍기보다 반대로 봐야 할지도 모름
    • 2020년에 공개된 특허가 있는 듯함. 그런데도 주목받지 못했다는 게 놀라움
      KR20210062550A - Mehtod of manufacturing ceramic composite with low resistance including superconductors and the composite thereof -
      https://patents.google.com/patent/KR20210062550A/en

  • 지금까지의 실험실 LK-99 재현 시도는 HUST 두 건: https://www.bilibili.com/video/BV14p4y1V7kS/ https://www.bilibili.com/video/BV13k4y1G7i1/
    USTC 한 건: https://www.bilibili.com/video/BV1Ex4y1X7ix/ 이 작은 시료는 뾰족한 쪽으로 설 수 있음
    Qufu Normal University 한 건: https://www.zhihu.com/zvideo/1669820225079070720
    THU 배경이 있지만 개인 프로젝트라고 주장하는 한 건: https://www.bilibili.com/video/BV14z4y1s7Vo
    왜 중국 밖의 더 많은 실험실은 LK-99를 만들고 영상을 공개하지 않는지 궁금함

    • 중국 출신으로서 전혀 놀랍지 않음. 중국의 젊은 연구자들은 치열한 경쟁과 압박을 자주 겪음
      단기 자금은 미국이나 유럽 동료보다 더 잘 받는 경우도 많지만, 장기적 경력 안정성이 부족함. 그래서 LK-99 같은 잠재적 돌파구를 열정이나 호기심뿐 아니라 생존을 위해 계속 쫓아야 함
      중국 시스템에는 나이와 연결된 상, 연구비, 칭호도 많고, 이는 명예뿐 아니라 경력 진전에 필수적이라 젊은 연구자들 사이의 긴박감과 경쟁을 더 키움
    • 중국 밖 연구실이 영상을 덜 올리는 이유는 여러 가지일 수 있음
      아직 결정적 재현에 성공하지 못했고, 나중에 누군가 확실한 양성 결과를 낼까 봐 음성 결과 공개를 꺼릴 수 있음
      아직 100% 확신하지 못하는 결과를 더 조심스럽게 다루거나, 주목받는 과학보다 동료 심사 후 논문을 내는 전통 경로를 선호할 수도 있음
      YouTube 영상을 올리고 엄청난 상호작용을 감당하기 싫거나, 틀릴까 봐 두려울 수도 있음
    • 이런 재현들은 아직 별로 기여하지 못하고 있음. 과학적 통찰이 거의 없는 최소한의 시도에 가깝고, 초전도체라는 결정적 증거를 보인 논문도 없음
      머신러닝에서도 큰 발표 뒤에는 저품질 논문들이 “최초”가 되려고 몰려옴. 하지만 장기적으로는 좋은 일을 하는 데 시간이 필요하므로 의미가 적음
      좋은 연구실은 반쯤 된 애매한 결과를 발표하고 싶어 하지 않고, 책임질 수 있는 포괄적이고 결정적인 고품질 결과를 내고 싶어 함. 그것이 과학을 앞으로 밀어줌
      많은 연구실이 LK-99를 연구 중이겠지만, 이런 어설픈 분석은 내지 않을 것임
    • 몇 달 전 Tsinghua University 교수가 bilibili에서 200만 조회수를 얻었음: https://www.bilibili.com/video/BV1cY4y1y7ZM
      제목 번역은 “상온 초전도가 정말 재현되면 똥을 먹겠다”임. 이후 bilibili에서 이 주제가 뜨거워졌고, 첫 LK-99 재현 영상은 거의 1천만 조회수에 도달함
    • 가장 단순한 설명은 중국 실험실들이 합성을 더 잘하고, 그 수도 많다는 것일 수 있음
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