Le LK-99 n’a pas de bandes plates lorsqu’il est calculé avec la structure cristalline correcte

Le feuilleton LK-99 continue, quoique à un rythme plus lent. Comme je l’avais supposé (LCMF, 10 août 2023) lorsque Krivovichev a déterminé la nouvelle structure cristalline de l’apatite de plomb Pb_dix(APRÈS₄)₆Ou bien, avec elle, disparaît la structure de bande plate autour du niveau de Fermi observée avec la structure précédente de 2003. Il avait déjà été observé qu’avec cette structure incorrecte, il y avait des différences entre les simulations DFT+U et DFT+DMFT. Un groupe chinois publie la première analyse DFT avec la nouvelle structure cristalline (ils avaient déjà publié l’analyse avec l’autre). On observe que le LK-99 est un isolant (semi-conducteur) avec un écart de 2,96 eV dans les simulations DFT+U, en bon accord avec les simulations DFT+DMFT. De plus, les 44 configurations possibles dans lesquelles deux ions Cu remplacent deux ions Pb dans la maille unitaire ont été étudiées. On constate que cela est difficile à réaliser, puisque son énergie de formation est d’au moins 2,65 eV/Cu pour Cfg1, en substitution d’un Pb1 et d’un Pb2. Les Coréens voulaient que deux Pb1 soient remplacés, pour obtenir un comportement métallique, ce qui se produit à partir de la configuration Cfg28 avec une énergie de formation minimale beaucoup moins favorable de 3,27 eV/Cu. La dispersion des phonons a également été calculée. Tous ces résultats théoriques indiquent que le LK-99 est semi-conducteur (isolant) à température ambiante, plutôt que supraconducteur, avec un comportement ferromagnétique à basse température pour certaines configurations de dopage.

Des vidéos de lévitation assistée d’une équipe chinoise ayant synthétisé un échantillon cylindrique de LK-99 ne lévitant pas circulent sur les réseaux sociaux. Ils l’ont découpé en morceaux compris entre 0,2 mm et 10 mm en passant un aimant Nd₂Fe₁₄B pour découvrir quelles pièces lévitent de manière soutenue (la plupart ne lévitent pas). Ils ont vérifié que leur diffractogramme correspond à celui des Coréens, cependant, aussi bien les échantillons qui lévitent que ceux qui n’ont pas la résistivité d’un semi-conducteur (elle croît à mesure que la température baisse). Dans les deux types d’échantillons, on observe une hystérésis ferromagnétique dans l’aimantation entre 2 K et 400 K, coexistant un diamagnétisme avec un léger ferromagnétisme (plus fort dans les échantillons qui lévitent de manière supportée, ce qui explique ce comportement). Son origine pourrait être des impuretés de cuivre (Cu, Cu₂S) Malgré l’écho généré sur les réseaux sociaux par ces vidéos, on ne retrouve aucune trace de l’effet Meissner dans les échantillons LK-99 étudiés. Il n’y a aucune trace de supraconductivité entre 2 K et 400 K.

D’ailleurs, cette semaine, on a également parlé sur les réseaux sociaux de la réponse de Hyun-Tak Kim (Kim s’installant aux États-Unis) à l’article journalistique de Dan Garisto dans le magazine Nature. Il a déclaré à la chaîne de télévision coréenne SBS qu’il fallait être patient, car il leur a fallu deux ans de travail acharné pour montrer que la transition de l’isolant au métal (MIT) dans le LK-99 conduit à la supraconductivité. Il affirme dans l’interview que la méthode de synthèse brevetée fonctionne, mais qu’il leur a fallu un an et demi de travail, synthétisant des cristaux chaque jour, pour que l’un d’eux montre la phase supraconductrice à température ambiante. En outre, il précise qu’à partir de 400 grammes de matière première, ils ne pouvaient obtenir que des morceaux sous forme de flocons compris entre un milligramme et un microgramme. Et ce n’est que dans 10 % des expériences dans lesquelles la synthèse brevetée est suivie exactement. Bien sûr, il s’agit de déclarations adressées à un média Kim basé aux États-Unis, car Lee et Kim restent silencieux jusqu’à ce que leur article soit accepté par APL Materials. Pour l’instant, tout indique que la supraconductivité, si elle existait, est un état très fragile, qui peut apparaître et disparaître en fonction de différences minimes dans la synthèse. De plus, tout indique que la clé pour mesurer la supraconductivité réside dans la synthèse de couches minces.

L’absence de bandes plates dans le LK-99 rend ce matériau sans intérêt scientifique ou technologique (il existe des matériaux « infinis » ayant des propriétés similaires). Le faux espoir des bandes plates d’une apatite se dissout comme des larmes sous la pluie. L’article théorique chinois avec l’analyse DFT de la nouvelle structure cristalline est Jiaxi Liu, Tianye Yu,…, Peitao Liu, « Symmetry brising used isolateur electronic state in Pb₉Avec (PO₄)₆O », arXiv : 2308.11766 [cond-mat.mtrl-sci] (18 août 2023), est ce que je: https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.11766. . . . Le nouvel article chinois qui a synthétisé le LK-99 est Pinyuan Wang, Xiaoqi Liu, …, Jian Wang, “Comportement ferromagnétique et isolant dans les échantillons de type LK-99 à moitié et sans lévitation magnétique”, arXiv : 2 [cond-mat.supr-con] (17 août 2023), est ce que je: https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.11768. Une nouvelle étude théorique avec un modèle simplifié, de peu d’intérêt, a également été publiée dans Dimitar Pashov, Swagata Acharya, …, Mark van Schilfgaarde, « Multiple Slater determinants and strong spin-fluctuations as key materials of the electronic structure of electron- and Hole -Pb dopé_10−xCu_X(APRÈS₄)₆O », arXiv : 2308.09900 [cond-mat.supr-con] (19 août 2023), est ce que je: https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.09900.

Cette figure montre les 42 configurations de dopage étudiées par l’article chinois avec la nouvelle structure cristalline ; dans ces configurations (appelées Cfg1 à Cfg42 ordonnées selon l’énergie de formation) deux ions Pb (bleu pour Pb1 ou gris pour Pb2) sont remplacés par deux ions Cu (jaune). D’après les simulations DFT+U, il en résulte un matériau semi-conducteur (isolant) de Cfg1 à Cfg27 et Cfg39, étant un métal pour le reste des cas (les Coréens recourent à une transition métal-isolant associée au dopage, en supposant un dopage configuration comme Cfg28). D’ailleurs, lors de l’utilisation des simulations DFT+U+SOC, les configurations de Cfg1 à Cfg31 et Cfg39 sont des semi-conducteurs, le reste étant métallique. Je vous rappelle que la DFT est la théorie fonctionnelle de la densité utilisée pour simuler la structure de bande électronique d’un matériau à partir de la structure cristalline de sa cellule unitaire. DFT+U est appelé l’incorporation de l’interaction coulombienne (U) entre les électrons des orbitales d et f, associée aux ions cuivre et plomb. DFT + SOC est appelé incorporation du couplage spin-orbite (SOC), un effet relativiste pertinent pour les ions lourds tels que le Pb. Enfin, DFT+DMFT est la combinaison de DFT avec une théorie du champ moyen dynamique (DMFT) qui est utilisée lorsqu’il existe de fortes corrélations électroniques (courantes dans les isolants Mott et certains supraconducteurs).

Cette figure montre l’énergie de formation de substitution des ions Pb par des ions Cu dans les 44 configurations étudiées. Les cercles (bleu et rouge) correspondent aux simulations DFT+U, tandis que les carrés (bleu et rouge) correspondent aux simulations DFT+U+SOC ; la couleur bleue correspond aux isolants et la rouge aux métaux. Comme vous pouvez le constater, la configuration conçue par les Coréens, Cfg28, est assez difficile à réaliser (même si les simulations DFT+U+SOC la prédisent moins difficile que ne le prédisait la DFT+U). Dans la méthode de synthèse chimique sèche brevetée par les Coréens, d’après ces simulations la plus favorable des premières configurations, qui sont des isolants, disons entre Cfg1 et Cfg17.