室温超导热潮：尚无复现，但理论存在？

本文来自微信公众号：新智元 （ID：AI_era），作者：新智元编辑部，原文标题：《室温超导复现失败？北航连发两文未发现超导磁悬浮，但美国国家实验室计算证实理论上存在》，题图来源：unsplash

韩国团队室温超导，已经引发了全世界各大实验室的复现狂潮。

就在刚刚，又出了爆炸性消息。

7月31日16:13，北航的研究人员在arXiv上提交了论文，称实验结果未发现LK-99的超导性。

他们得到的LK-99样品，其X射线衍射图谱和韩国团队一致，但无法检测到巨大抗磁性，也未观察到磁悬浮现象。

从电输运性质来看，LK-99更像是半导体；从电阻率看，LK-99与超导体的零电阻不符。

而几乎在同一时间（7月31日17:58），美国国家实验室的研究人员提交了一篇arXiv论文，研究结果表明，可以确认LK-99具备高温超导体费米能级平坦带特征。

研究者利用美国能源部的算力对改性铅磷灰石进行了密度泛函理论计算，发现其中存在一种能跨越费米能级的平坦带，这种结构在已知的许多高温超导体中也存在，因此，LK-99可能存在超导性。

两篇论文一出，网友们瞬间沸腾了！

现在，这两篇论文已经居于Hacker News的热榜Top 2。

北航团队：未发现具备超导性

就在刚刚，北航团队在arxiv上连发2篇论文，疑似否认LK-99的超导性，瞬间引爆知乎热搜。

第一篇论文，研究者称没有发现合成物的悬浮现象，还需要审查。

论文地址：https://arxiv.org/pdf/2307.16802.pdf

研究者首先一步步合成了Pb₂SO₅，还有Cu₃P。

然后由这2种材料，再烧结成Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O化合物。

结果显示，实验产物的XRD和韩国团队的改性铅磷灰石XRD类似

通过测试，研究发现与声称的超导性相反，Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O化合物表现出类似半导体的传输行为。其室温电阻率高达~1.94×10⁴Ω·cm，但研究人员的化合物的x射线衍射光谱与先前报道的结构数据非常一致。

此外，在室温下，将压紧的Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O球团置于商用Nd₂Fe₁₄B磁体上时，不会产生斥力，也不会观察到磁悬浮现象。

这些结果意味着，改性铅磷灰石（LK-99）具备室温超导性的说法需要重新商榷，尤其在电输运性质上超导性是存疑的。

Claude总结的论文内容，仅供参考

另外一篇，是北航与中科院沈阳材料科学国家实验室一起做的关于LK-99结构的研究。

研究结果大概表明，导入铜以后，发生了一个绝缘体到金属的改变，并且体积缩小。

论文地址：https://arxiv.org/pdf/2307.16040.pdf

论文中，研究人员利用第一原理计算研究了LK-99及其母体化合物的电子结构，旨在阐明铜的掺杂效应。

研究结果表明，母体化合物Pb₁₀(PO₄)₆O是绝缘体，而掺杂铜会引起绝缘体金属转变，从而导致体积收缩。

LK-99在费米级附近的能带结构特征是一个半填充的和一个完全填充的平坦带。

这两个平坦带都来自1/4占据的O原子的2p轨道和Cu的3d轨道与其最近邻O原子的2p轨道的混合。

有趣的是，研究人员在这两个平带上观察到，4个van Hove奇点，这表明在低温下电子向结构畸变的不稳定性。

但论文并没有下定论，该材料是否能超导。

总而言之，北航的最新两篇研究，一方面通过复现实验对LK-99的超导性提出了质疑，但另一方面通过计算模拟得出LK-99的结构具有费米能级的平坦带。

对LK-99的论证似乎变得不那么明了，判断它是不是超导材料成为一件困难的事。

美国国家实验室：模拟发现存在超导特征

几小时前，美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员也提交了一份arXiv论文，声称自己证实了LK-99存在超导特征。

具体来讲，研究发现，费米能级孤立平坦带是超导晶体的标志，而LK-99也具备该特征。

论文中，作者模拟了韩国提出材料发生的情况，即铜原子渗入晶体结构并取代铅原子，导致晶体产生轻微应变并收缩0.5%。

据介绍，这种独特的结构，正是为了实现这一神奇特性而提出的。

论文地址：https://arxiv.org/pdf/2307.16892.pdf

劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员Sinéad Griffin，使用美国能源部的算力模拟了这一现象。

作者使用了一种叫做“密度泛函理论”的计算方法，来探究铜取代磷灰石的性质。

研究人员发现，LK-99在费米能级（一个重要的能量水平）附近存在一些特殊的能带结构，这些能带被称为“孤立的平带”。

这些孤立的平带在已知的一些已建立的超导体家族中，都是高转变温度的标志。

LK-99中孤立平带的起源有两个。

其中一个来源是由于铜离子导致了材料的结构畸变，即原子排列的变化。另一个来源是由于铅离子的孤立电子对形成了一个特殊的电荷密度波。

作者指出，这些结果暗示了一个简化的模型，即“双带模型”，可以较好地描述这种材料中的低能量物理行为。

与此同时，作者还研究了这种材料的“电子结构”会发生什么变化，即材料中有哪些可用的传导途径。

结果发现，电子的传导路径，恰好处于能使它们“超导”的适当条件和位置。

更具体地说，它们接近“费米面”，费米面就像电能的海平面，比如“海平面以上0英尺”。

人们认为，靠近费米面的传导路径越多，超导温度就越高。打个比方，由于“地面效应”，飞机更容易飞近海洋表面，从而获得更大的升力。

论文中，这幅图显示了，费米表面上下交叉的“带”或电子通路。

这些有趣的传导路径，只有在铜原子渗入晶格中较不可能的位置或“较高能量”结合部位时才会形成。

这意味着这种材料很难合成，因为只有一小部分晶体中的铜会恰好处于正确的位置。

Claude总结的论文内容，仅供参考

韩国论文做出修正

今天上午9点左右，修正后的室温超导论文也发布了！网友们激动地奔走相告。

现在登录arXiv，可以看到六人作者的室温超导论文已经在29日做过修改，提交过第二版本。

第二版本和第一版本究竟有哪些区别呢？比较之后发现，其实重要的改动也就这两处。

第一处，是一张关键的图表做了修改，变为两张。

看来，此前作者Hyun-Tak Kim曾提到的y轴磁化率错误，应该就是在右图中得到了修改。

左：旧版；右：新版

第二处，就是韩语的标注被删掉了。

但有网友质疑说，“Latex的错误仍然存在，以前出现两次，现在减少到一次。在提交之前校对一下这么难吗？”

总之，实质性的改动也就是一个图而已，这不免让广大网友感到失望。

在此之前，六人版论文的三作Hyun-Tak Kim曾对《每日经济新闻》透露，论文中确实有一些小的错误，团队已经在修改，并将尽快上传新的版本。

在7月28日，Hyun-Tak Kim曾经在邮件中表示，y轴磁化率有两处数据错误，他会马上修改

在另一封邮件里，Hyun-Tak Kim表示，自己已于27日上传了修正后的版本，预计这一版本在周二就可以在arXiv上显示了。

又一个“室温超导”来了？

有趣的是，一家名为Taj Quantum的区块链公司（划重点）自称同样实现了室温超导，并且已经申请了专利。

就在今天早上，他们发布了超导体的照片，并介绍称，这是一种石墨烯泡沫材料。

从美国专利局已经可以下载到专利原文。

https://kdocs.cn/l/caKwDx25VrCU?f=201

然而，即便这个东西为真，也不是我们讨论的第一类超导。

而绝大多数网友，对此也持怀疑态度，认为这个公司蹭热度的成分更大。

直播网友，在线向原作求助

之前在推上直播LK-99复现过程的网友Andrew McCalip，还在等待第二步中材料的烧制。

他表示自己第一次合成的CuP遇到了问题，但他订购的波兰产CuP将在周三早上到达。

这意味着第一次最终反应将会在周三开始，周四很可能会出现第一个LK-99样品。

但Andrew直播实验进展时，提到了自己正在苦恼于论文中的细节太少，在实验时很难把握制造LK-99的工艺。

热心网友向Andrew提供了就LK-99制备中的问题向Lee提问的网站：

这下，Andrew在实验过程中的疑惑，可算是有了泄口。

比如，对实验过程中的细节处理：

前体材料要到纯度级别？要求粒径是多少？ 

使用前，是否需要进行任何必要的预处理步骤？ 

Lanarkite反应的环境是空气还是真空？ 

LK99对最后的925°C步骤的持续时间有多敏感？

还有对实验结果的疑问：

能否详细说明所观察到的块状材料和薄膜之间的差异？ 

块状材料与薄膜的成分相同吗？ 

规定配方的重复性如何，SC 行为在样本中是否随机？ 

专利图22中，电阻率值取自哪个区域？浅灰色还是深灰色区域？

等等……

现在，Andrew已向网站提交了他的问题。

可以想见，接下来几天，会有更多的复现实验结果出来。

全世界研究者的成果将汇总在一起，合力验证这次人类究竟能不能摘下室温超导圣杯，进入全新的纪元。

参考资料：

https://twitter.com/andrewmccalip/status/1685871360948748288

https://www.zhihu.com/question/614426480/answer/3142610238

https://arxiv.org/pdf/2307.16802.pdf

https://arxiv.org/pdf/2307.16040.pdf

https://arxiv.org/pdf/2307.16892.pdf

本文来自微信公众号：新智元 （ID：AI_era），作者：新智元编辑部