El famoso LK-99 parece tener resistencia cero y podría ser superconductor por debajo de 110 K (−163 °C) – La Ciencia de la Mula Francis

Ya sabemos que el material de moda, LK-99, una apatita de plomo dopada con cobre, no es un superconductor a temperatura y presión ambientales; toda la evidencia apunta a que es un semiconductor a temperatura ambiente. Sin embargo, igual que el plomo es un superconductor de tipo I con una temperatura crítica de 7.2 K, la apatita LK-99 podría ser superconductora. Se publica en arXiv la primera síntesis de LK-99  ultrapuro que muestra resistencia cero por debajo de una temperatura crítica de 110 K (−163 °C), muy por encima de la temperatura del nitrógeno líquido (77 K). El récord en cupratos ronda los 150 K (−123 °C), pero LK-99 podría ser muy útil si se confirmara su superconductividad a alta temperatura. Pero, cuidado, de las seis muestras estudiadas solo una presenta resistencia cero (las otras son semiconductoras). Además, no se ha observado el efecto Meissner en ninguna muestra. Tampoco parece mostrar un campo magnético crítico (hasta 9 teslas). Tengo serias dudas de que sea un superconductor a 100 K. Habrá que esperar a futuras medidas de la resistividad, pero tiene pinta de fiasco.

El problema de la medida de la resistividad es el pequeño tamaño de las muestras y su gran fragilidad (quizás por ello otros grupos que han sintetizado este material no han podido medirla). El mecanizado de los contactos es muy delicado y puede incurrir en cortocircuitos accidentales inducidos por la baja temperatura que produzcan una resistencia cero que sea ficticia. En mi opinión es una mala señal que solo se haya observado en una de las seis muestras sintetizadas de Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O, con 0.9<x<1.1 (con un ión de Cu por cada 9 de Pb). Lo que sí parece claro del nuevo artículo es que se ha sintetizado LK-99 ultrapuro, prácticamente sin rastro de Cu₂S (como se observaba en las muestras de los coreanos Lee y Kim). Lo más llamativo del nuevo estudio es que se observa un salto en la resistividad de dos órdenes de magnitud alrededor de 250 K, que quizás podría ser la señal que los coreanos malinterpretaron de forma incorrecta como transición al estado superconductor a temperatura ambiente. No se ofrece explicación a este salto (quizás solo sea un problema en el mecanizado de los contactos). Lo repito, me parece un buen trabajo de replicación, que confirma que LK-99 es semiconductor a temperatura ambiente, pero la resistencia cero observada es muy discutible y tendrá que ser ratificada de forma independiente por otros grupos.

La apatita LK-99 promete ser un material interesante, tanto para los físicos experimentales como para los teóricos (ya se han publicado siete artículos teóricos, la mayoría observando bandas planas con DFT, lo que no implica superconductividad en ningún caso). Sea o no sea LK-99 superconductor a alta temperatura, abre la veda al estudio de la superconductividad en apatitas. Quizás acabe siendo una nueva familia superconductora, como los cupratos, pnicturos de hierro y niquelatos. El nuevo artículo es Qiang Hou, Wei Wei, …, Zhixiang Shi, «Observation of zero resistance above 100∘ K in Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O,» arXiv:2308.01192 [cond-mat.supr-con] (02 Aug 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.01192.

Hay que destacar que observar bandas planas alrededor del nivel de Fermi significa que hay estados electrónicos con correlación fuerte, nada más. Hay superconductores que tienen este tipo de bandas (como el MATBG con Tc ~ 1.7 K), pero no hay ninguna relación de causa efecto demostrada entre bandas planas y superconductividad. Los nuevos artículos teóricos que observan dichas bandas en el LK-99 usando DFT con VASP son J. Cabezas-Escares, N. F. Barrera, …, F. Munoz, «Theoretical insight on the LK-99 material,» arXiv:2308.01135 [cond-mat.supr-con] (02 Aug 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.01135; Junwen Lai, Jiangxu Li, …, Xing-Qiu Chen, «First-principles study on the electronic structure of Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O (x=0, 1),» arXiv:2307.16040 [cond-mat.mtrl-sci] (29 Jul 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.16040; Liang Si, Karsten Held, «Electronic structure of the putative room-temperature superconductor Pb₉Cu₁(PO₄)₆O,» arXiv:2308.00676 [cond-mat.supr-con] (01 Aug 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.00676; Rafal Kurleto, Stephan Lany, …, Daniel S. Dessau, «Pb-apatite framework as a generator of novel flat-band CuO based physics, including possible room temperature superconductivity,» arXiv:2308.00698 [cond-mat.supr-con] (01 Aug 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.00698; además del de Griffin citado en LCMF, 01 ago 2023.

Además, hay artículos teóricos presentan modelos muy simplificados del LK-99 para facilitar la comprensión de sus propiedades potenciales (en mi opinión de muy poco interés por su simplicidad), como Omid Tavakol, Thomas Scaffidi, «Minimal model for the flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite,» arXiv:2308.01315 [cond-mat.supr-con] (02 Aug 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.01315; G. Baskaran, «Broad Band Mott Localization is all you need for Hot Superconductivity: Atom Mott Insulator Theory for Cu-Pb Apatite,» arXiv:2308.01307 [cond-mat.supr-con] (02 Aug 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.01307.

En el nuevo artículo se ha intentado sintetizar LK-99 por cuatro procedimientos diferentes (en la figura son S1, S2, S3 y S4). Solo han sido exitosos S1 y S2, siendo una muestra de S1 la que ha permitido observar la resistencia cero (sin efecto Meissner). La comparación entre el espectro de difracción de rayos X de la muestra S1 y el que aparece en el artículo de los coreanos indica que se ha logrado una síntesis de mayor pureza. No entraré en los detalles (menores) que han permitido lograrlo (los interesados pueden consultar el artículo). Por supuesto, la resistencia cero (una caída en la resistividad de cuatro órdenes de magnitud) no se suficiente para hablar de estado superconductor. Me hubiera gustado ver medidas de las susceptibilidad magnética, de la capacidad térmica, etc. Proclamar que un material es superconductor requiere un amplio estudio de muchas propiedades físicas, que en su conjunto avalen la superconductividad observada. Una única propiedad no nos dice nada. Cuidado con extrapolar lo que se cuenta en redes sociales y medios poco rigurosos.