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复现？首次证明常温、常压超导！

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发布时间：2023-08-03

光子盒研究院

 

就在全世界的科学家们争相做实验的同时，有人为最近韩国科研团队的常温常压超导研究提供了理论支持。


一天前，美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）在 arXiv 上提交了一篇论文，其结果支持 LK-99 作为室温环境压力超导体。

 

“Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite”
 
论文作者是纳米结构材料理论科学家、在劳伦斯伯克利国家实验室从事高能物理和凝聚态物质研究。目前，她领导了一支位于伯克利实验室材料科学部和分子铸造厂的研究小组：GriffinGroup。
 
 
 
目前该论文已经在 Twitter 上引起了广泛的关注与讨论。有人第一时间看过论文表示：这是一个重大发现，研究提交的速度极快，但其中思考又足够缜密。
 
论文表示，“最近一份关于铜取代磷灰石（LK99）在常压下的室温超导性的报告，激发了人们对何种材料和机制可实现高温超导性的兴趣。在这里，我对铜取代的磷酸铅磷灰石进行了密度泛函理论计算，确定了费米级上相关的孤立平带(flat band)——这是已经建立的超导体家族中高转变温度的共同特征。“
 
“我阐明了这些孤立带的起源：即铜离子引起的结构畸变和来自铅孤对子的手性电荷密度波。这些结果表明，一个最小的双带模型可以涵盖该系统中的大部分低能物理。最后，我将讨论我的研究结果对掺铜磷灰石中可能存在的超导现象的影响。”
 
这意味着，Sinéad Griffin 使用美国能源部的计算能力进行模拟，已经为铜掺杂铅磷灰石的超导性找到了理论基础：费米能级的孤立平带是超导晶体的标志。
 
通过计算机模型，这篇文章从理论上描述了若现实世界中存在常温超导，其材料应具有什么性质。而如今吸引全球关注的 LK-99 具有这种特殊性质。
 
“本文介绍的计算表明，在适当的（Pb(1)）位点上进行的铜置换显示了高TC超导性的许多关键特征，即特别平坦的孤立d流行(d-manifold)，以及可能存在的波动磁性、电荷和声子。然而，在另一个 Pb(2) 位点上的置换似乎并不具备这些人们所追求的特性，尽管它是能量较低的置换位点。这一结果表明，要获得块状超导样品，在适当位置上取代铜是一项合成挑战。尽管如此，鉴于这些诱人的理论特征和可能具有高 TC 超导性的实验报告，我期望这一类新材料的发现能推动对掺杂磷灰石矿物的进一步研究。”

这可能也是相关研究中，首次成功证实了常温常压超导体的理论可行性。
 
 
具体来说，这次实验使用了 Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) 进行了所有密度泛函理论（DFT）计算，VASP是一个用于量子力学计算的软件包。考虑到 Cu-d 态的低定位，实验应用了 Hubbard-U 修正。实验还测试了 2 eV 到 6 eV 之间的 U 值，发现实验结果与所有计算值的结果都相似。
 
原文中的结果是 U = 4 eV 时的结果，该值给出的晶格参数与实验结果相差 1%。
 
(a) 磷灰石铅结构，如正文所述，具有两个不等价的铅位点。O 柱或 OH 柱位于 Pb(2) 六边形结构所定义的中心柱中。(b)Pb10(PO4)6OH2的计算电子定位函数。Pb(2) 周围的氧根受到孤对的排斥。
 
(a) 磷灰石铅结构显示九个配位的 Pb(1) 位点。(b) Cu 取代结构显示六配位的 Cu 和 Pb(1) 位点，具有扭曲的三棱柱配位，两种不同的键长是上下三角形之间 24◦ 的刚性扭转。右侧是 Cu-d9的晶体场图。
 
计算得出的自旋偏振电子能带结构（左）和相应的状态密度（右）。橙色实线表示自旋上升带，蓝色虚线表示自旋下降带。总的状态密度为灰色阴影，并显示了 Cu-d 轨道（粉红色）及其邻近的 O-p 轨道（绿色）的投影。在这两幅图中，费米级均设为 0 eV，并用虚线标出。
 
费米水平附近较小能量范围内的自旋偏振电子能带结构计算结果，显示孤立的双能带 Cu-d 流形。费米级设置为 0 eV，并用虚线标出。
 
值得注意的是，该研究发现一组孤立的平面带穿过费米能级，最大带宽为～130 meV：
 
 
针对上述理论结果，作者表明，磷灰石结构为稳定高度局部化的 Cu-d9态提供了一个独特的框架，而Cu-d9态在费米能级上形成了强相关的平带。Pb (2) 的立体化学活性 6s2孤电子的核心作用体现在手性电荷密度波的形成，以及连接多面体的结构扭曲的传播。
 
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。总之，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。
 
 
 
此前，人们对于高温超导的可信度持续存疑，多个国家的实验室纷纷表示复现失败。7月 31 日，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；中科院沈阳材料科学国家实验室有关复现 LK-99 的论文中也表示结果不理想。
 
韩国团队则在 arXiv 上重新上传了自己的论文。
 
7月29日，团队提交了修改后的第二版论文，实质性的改动只有一个图。
 
这项新的理论证明，无疑带来了复现的希望。
 
随着室温超导相关事件逐渐白热化，我们相信，等人们对于 LK-99 等材料的认识逐步清晰后，将更快找到验证室温超导物质的方法。
 

参考链接：

[1]https://arxiv.org/abs/2307.16892

[2]https://redian.news/wxnews/512931

[3]https://foundry.lbl.gov/about/staff/sinead-griffin/

[4]https://sineadgriffin.com/

[5]https://www.reddit.com/r/Futurology/comments/15f1axs/berkley_material_sciences_corroborate_room/

[6]https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2307/2307.16802.pdf

[7]https://arxiv.org/pdf/2307.16040.pdf

[8]https://www.ithome.com/0/709/541.htm

 
 
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