El culebrón de LK-99 continúa, aunque a ritmo más lento. Como conjeturé (LCMF, 10 ago 2023) cuando Krivovichev determinó la nueva estructura cristalina de la apatita de plomo Pb₁₀(PO₄)₆O, con ella desaparece la estructura de bandas planas alrededor del nivel de Fermi observada con la estructura previa de 2003. Ya se había observado que con dicha estructura incorrecta había diferencias entre las simulaciones DFT+U y DFT+DMFT. Un grupo chino publica el primer análisis DFT con la nueva estructura cristalina (ya habían publicado el análisis con la otra). Se observa que LK-99 es un aislante (semiconductor) con un gap de 2.96 eV en las simulaciones DFT+U, en buen acuerdo con las simulaciones DFT+DMFT. Más aún, se han estudiado las 44 configuraciones posibles en las que dos iones de Cu sustituyen a dos iones de Pb en la celda unidad. Se observa que es difícil lograrlo, pues su energía de formación es como mínimo de 2.65 eV/Cu para Cfg1, sustituir un Pb1 y un Pb2. Los coreanos deseaban que se sustituyeran dos Pb1, para lograr un comportamiento metálico, lo que ocurre a partir de la configuración Cfg28 con una energía de formación mínima de 3.27 eV/Cu, mucho menos favorable. También se ha calculado la dispersión para los fonones. Todos estos resultados teóricos indican que LK-99 es semiconductor (aislante) a temperatura ambiente, en lugar de superconductor, con un comportamiento ferromagnético a baja temperatura para algunas configuraciones de dopado.

En redes sociales están circulando los vídeos de levitación apoyada de un equipo chino que ha sintetizado una muestra cilíndrica de LK-99 que no levita. La han troceado en piezas de entre 0.2 mm y 10 mm, pasando un imán de Nd₂Fe₁₄B para descubrir que trozos levitan de forma apoyada (la mayoría no levita). Han verificado que su difractograma corresponde al de los coreanos, sin embargo, tanto las muestras que levitan como las que no lo hacen tienen la resistividad de un semiconductor (crece conforme baja la temperatura). En ambos tipos de muestras se observan histéresis ferromagnética en la magnetización entre 2 K y 400 K, coexistiendo diamagnetismo con un ligero ferromagnetismo (más fuerte en las muestras que levitan de forma apoyada, lo que explica dicho comportamiento). Su origen podrían ser las impurezas de cobre (Cu, Cu₂S) A pesar del eco generado en redes sociales por estos vídeos, no hay rastro de efecto Meissner en las muestras de LK-99 estudiadas. No hay ningún rastro de superconductividad entre 2 K y 400 K.

Por cierto, esta semana también se habló en redes sociales de la respuesta de Hyun-Tak Kim (el Kim afincando en EEUU) al artículo periodístico de Dan Garisto en la revista Nature. Ha declarado al canal de televisión coreano SBS que hay que tener paciencia, pues a ellos les costó dos años de duro trabajo mostrar que la transición de aislante a metal (MIT) en LK-99 conduce a la superconductividad. Afirma en la entrevista que el método de síntesis patentado funciona, pero que les costó un año y medio de trabajo, sintetizando cristales todos los días, lograr que uno de ellos mostrara la fase superconductora a temperatura ambiente. Más aún, aclara que a partir de 400 gramos de material de partida solo pudieron obtener piezas en forma de escamas entre un miligramo y un microgramo. Y eso solo en el 10 % de los experimentos en los que se sigue de forma exacta la síntesis patentada. Por supuesto, son declaraciones a un medio del Kim afincado en EEUU, pues tanto Lee como Kim están callados hasta que se acepte su artículo en APL Materials. Por ahora todo indica que la superconductividad, si existiese, es un estado muy frágil, que puede aparecer y desaparecer en función de diferencias mínimas en la síntesis. Además, todo indica que la clave para medir la superconductividad es la síntesis de películas delgadas.

La ausencia de bandas planas en LK-99 hace que esta material no tenga ningún interés científico ni tecnológico (hay «infinidad» de materiales con propiedades similares). La falsa esperanza de las bandas planas en una apatita se diluye como lágrimas en la lluvia. El artículo teórico chino con el análisis DFT de la nueva estructura cristalina es Jiaxi Liu, Tianye Yu, …, Peitao Liu, «Symmetry breaking induced insulating electronic state in Pb₉Cu(PO₄)₆O,» arXiv:2308.11766 [cond-mat.mtrl-sci] (18 Aug 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.11766. El nuevo artículo chino que ha sintetizado LK-99 es Pinyuan Wang, Xiaoqi Liu, …, Jian Wang, «Ferromagnetic and insulating behavior in both half magnetic levitation and non-levitation LK-99 like samples,» arXiv:2308.11768 [cond-mat.supr-con] (17 Aug 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.11768. También se publicó un nuevo estudio teórico con un modelo simplificado, de poco interés, en Dimitar Pashov, Swagata Acharya, …, Mark van Schilfgaarde, «Multiple Slater determinants and strong spin-fluctuations as key ingredients of the electronic structure of electron- and hole-doped Pb_10−xCu_x(PO₄)₆O,» arXiv:2308.09900 [cond-mat.supr-con] (19 Aug 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.09900.

Esta figura muestra las 42 configuraciones de dopado estudiadas por el artículo chino con la nueva estructura cristalina; en estas configuraciones (llamadas Cfg1 hasta Cfg42 ordenadas en función de la energía de formación) se sustituyen dos iones de Pb (azul para Pb1 o gris para Pb2) por dos iones de Cu (amarillo). Según las simulaciones DFT+U el resultado es un material semiconductor (aislante) desde Cfg1 hasta Cfg27 y Cfg39, siendo un metal para el resto de los casos (los coreanos recurren a una transición metal-aislante asociada al dopado, asumiendo una configuración de dopado como la Cfg28). Por cierto, cuando se usan simulaciones DFT+U+SOC son semiconductoras las configuraciones desde Cfg1 hasta Cfg31 y Cfg39, siendo metálicas las restantes. Te recuerdo que DFT es la teoría del funcional densidad usada para simular la estructura de bandas electrónicas de un material a partir de la estructura cristalina de su celda unidad. Se llama DFT+U a la incorporación de la interacción coulombiana (U) entre los electrones en los orbitales d y f, asociados a los iones de cobre y plomo. Se llama DFT+SOC a la incorporación del acoplamiento espín-órbita (SOC), un efecto relativista relevante para iones pesados como el Pb. Finalmente, DFT+DMFT es la combinación de DFT con una teoría de campo medio dinámico (DMFT) que usa cuando hay correlaciones electrónicas fuertes (habituales en aislantes Mott y en algunos superconductores).

Esta figura muestra la energía de formación de la sustitución de los iones de Pb por iones de Cu en las 44 configuraciones estudiadas. Los círculos (azules y rojos) corresponden a simulaciones DFT+U, mientras que los cuadrados (azules y rojos) son para DFT+U+SOC; el color azul corresponde a aislantes y el rojo a metales. Como puedes ver, la configuración concebida por los coreanos, Cfg28, es bastante difícil de lograr (aunque las simulaciones DFT+U+SOC predicen que es menos difícil de lo predicho por las DFT+U). En el método de síntesis química en seco patentado por los coreanos, según estas simulaciones lo más favorable de las primeras configuraciones, que son aislantes, pongamos que entre Cfg1 y Cfg17.