重復實驗一一拼湊出這種材料出現(xiàn)類似超導行為的原因。

【資料圖】

研究人員似乎已經(jīng)揭開了圍繞LK-99的疑云?？茖W偵探們已經(jīng)找到了這種材料并非超導體的證據(jù)，并闡明了其實際特性。

這個結(jié)論打破了對于LK-99——一種銅、鉛、磷和氧組成的化合物——是首個室溫常壓超導體的希望。實際上，研究顯示這種材料中的雜質(zhì)——尤其是硫化銅——才是電阻率快速下降并能部分懸浮于磁鐵上方的原因，這些特性看起來與超導體很像。

加州大學戴維斯分校凝聚態(tài)物質(zhì)實驗學家Inna Vishik說：“我覺得在這個節(jié)點上事情已經(jīng)基本很明朗了?！?/p>

德國馬克斯·普朗克固態(tài)研究所合成的LK-99純晶體。來源：Pascal Puphal

這次的LK-99烏龍事件始于7月底——當時，由首爾初創(chuàng)公司量子能源研究中心（Quantum Energy Research Centre）的Sukbae Lee和Ji-Hoon Kim領(lǐng)導的團隊發(fā)布了預印本論文[1,2]，稱LK-99是一種在常壓和至少127 ?C（400開爾文）溫度下的超導體。之前所有經(jīng)證實的超導體只能在極端溫度和壓強下運作。

這一消息很快得到了科學愛好者和科研工作者的關(guān)注，他們很多人嘗試復制LK-99。最早的重復工作沒能觀察到室溫超導的現(xiàn)象，但還不能作為最終結(jié)論。而現(xiàn)在，經(jīng)過數(shù)十次的重復，許多專家自信地表示，證據(jù)顯示LK-99并不是室溫超導體。（Lee和Kim的團隊沒有回復《自然》的評論請求。）

積累證據(jù)

該韓國團隊的結(jié)論基于LK-99表現(xiàn)出的兩種特性：能在磁鐵上懸浮以及電阻率極速下降。然而，北京大學[3]和中國科學院[4]的獨立團隊發(fā)現(xiàn)這些現(xiàn)象能用很普通的原因解釋。

美國和歐洲研究人員開展的另一項研究[5]，通過結(jié)合實驗和理論證據(jù)證實了LK-99的結(jié)構(gòu)為何不可能實現(xiàn)超導性。其他實驗團隊也合成并研究了LK-99的純樣品[6]，消除了大家對該材料結(jié)構(gòu)的疑慮，證實了它不是超導體，而是絕緣體。

進一步的確認只能來自該韓國團隊共享他們的樣品，墨爾本莫納什大學的物理學家Michael Fuhrer說，“現(xiàn)在他們有壓力讓大家信服?！?/p>

關(guān)于LK-99超導性最惹人注目的證據(jù)可能是該韓國團隊拍攝的一段視頻，視頻里一個硬幣大小的銀色樣品懸浮在一塊磁鐵上。該團隊表示，這個樣本之所以能懸浮是因為邁斯納效應(yīng)——邁斯納效應(yīng)是超導性的一個標志，它能讓材質(zhì)抵抗磁場。多個來路不明的LK-99懸浮視頻在社交媒體上流傳，但最早一批重復實驗全都沒有觀察到任何懸浮現(xiàn)象。

半懸浮

現(xiàn)從事金融業(yè)的哈佛大學前凝聚態(tài)物質(zhì)研究員Derrick van Gennep對LK-99很感興趣，他亮起了好幾個“紅燈”。在視頻中，樣品的同一邊似乎粘在磁鐵上，維持著微妙的平衡。而實際上，懸浮在磁鐵上方的超導體能旋轉(zhuǎn)，甚至能翻轉(zhuǎn)。Gennep說：“這些行為和我們在LK-99視頻中看到的都不是一回事。”

他認為LK-99的特性更像是鐵磁性的結(jié)果。為此，他用粘了鐵屑的壓縮石墨烯薄片做了一個小球。Van Gennep做的視頻顯示，他用非超導鐵磁材料做的小球能模擬出LK-99的行為

8月7日，北京大學團隊報道他們的LK-99樣本是因為鐵磁性才出現(xiàn)了這種“半懸浮”現(xiàn)象。該研究共同作者、凝聚態(tài)物理學家李源說：“這完全就像是一個鐵屑實驗。”這個小球受到了升力但不足以達到懸浮，只能在一端保持平衡。

李源和他的同事測量了他們樣品的電阻率，并未發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象。但他們沒能解釋韓國團隊觀察到的電阻率迅速下降的現(xiàn)象。

非純樣品

韓國團隊在他們的預印本論文中指出了LK-99的電阻率出現(xiàn)10倍下降——從0.02歐姆-厘米（ohm-cm）到0.002歐姆-厘米——的特定溫度?！八麄兘o出了很精確的溫度，104.8?C，”伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的化學家Prashant Jain說，“我當時的反應(yīng)是，等等，我知道這個溫度?！?/p>

合成LK-99的反應(yīng)使用的配方不平：合成的每1份銅摻雜鉛磷灰石——純LK-99，它能產(chǎn)生17份銅和5份硫。這些殘留物會導致大量雜質(zhì)，尤其是韓國團隊報道樣品中存在的硫化銅。

硫化銅專家Jain記得104?C是Cu2S發(fā)生相變的溫度。低于該溫度，暴露在空氣中的Cu2S的電阻率會急劇下降，這個現(xiàn)象與 LK-99所謂的超導相變幾乎一模一樣?！拔?guī)缀醪桓蚁嘈潘麄儧]注意到這個?！盝ain就這種很重要的混淆效應(yīng)發(fā)布了一篇預印本論文[7]。

8月8日，中國科學院團隊報道了LK-99 中Cu2S雜質(zhì)的這種效應(yīng)。中國科學院的物理學家雒建林說：“Cu2S的不同含量可以通過不同過程合成。”研究團隊測試了兩個樣品，第一個在真空中加熱，結(jié)果得到了5%的Cu2S含量，第二個在空氣中加熱，得到了70%的Cu2S含量。

第一個樣品的電阻率在冷卻過程中相對平緩地增加，與其他重復實驗的樣品看起來很類似。但第二個樣品的電阻率在接近112 oC（385K）時開始驟降——與韓國團隊觀察到現(xiàn)象很像。

“這一刻我告訴自己，‘好吧，這顯然是他們認為這是超導體的原因，’”Fuhrer說，“蓋棺定論的是這個硫化亞銅。”

對LK-99的特性很難決定性地概括，因為這種材料很特殊，而且樣品含有的雜質(zhì)各不相同。李源說：“即使是我們自己合成的，每批樣品也有細微差異?！钡钤幢硎?，這些樣品與原始樣品足夠相似，可以用來檢驗LK-99在環(huán)境條件下究竟是不是超導體。

水落石出

對電阻率下降和半懸浮的有力解釋，讓領(lǐng)域內(nèi)的許多人都相信LK-99并非室溫超導體。但這個謎團還沒有結(jié)束——這種材質(zhì)的實際性質(zhì)到底如何？

一開始的理論分析使用“密度泛函理論”（DFT）預測了LK-99的結(jié)構(gòu)，并提示其具有“平帶”的電子特征。在平帶區(qū)域，電子能緩慢移動并緊密相關(guān)。某些情況下，這種特性會產(chǎn)生超導性。但這些計算都基于對LK-99結(jié)構(gòu)的未經(jīng)證實的假設(shè)。

為了更好地理解這種材料，上述美國-歐洲團隊[5]對他們的樣品進行了精確的X射線成像，以計算LK-99的結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵是，這次成像讓他們能進行很嚴謹?shù)挠嬎?，從而闡明了關(guān)于平帶的具體情況：它們并不能促進超導性的產(chǎn)生。實際上，LK-99中的平帶來自強局域的電子，無法以超導體需要的方式“躍遷”。

8月14日，德國馬克斯·普朗克固態(tài)研究所的另一個團隊報道[6]合成了純的單晶LK-99。與之前需要用到坩堝的合成實驗不同，該團隊使用名為浮區(qū)晶體生長的技術(shù)，這樣就不用在反應(yīng)中加入硫，也能避免Cu2S這種雜質(zhì)。

最后得到是透明的紫色晶體——純LK-99，或稱Pb8.8Cu1.2P6O25。分離了雜質(zhì)的LK-99也不是超導體，而是百萬歐姆電阻的絕緣體——這個電阻過高，無法進行標準的電導率試驗。它表現(xiàn)出很小的鐵磁性和抗磁性，還不足以實現(xiàn)部分懸浮。該團隊在結(jié)論中表示，“我們因此排除了存在超導性的可能。”

該團隊指出，LK-99中觀察到的超導現(xiàn)象要歸功于Cu2S雜質(zhì)，而他們的晶體中沒有這種雜質(zhì)?！斑@次事件完美體現(xiàn)了為什么我們需要單晶，”領(lǐng)導該研究的馬普所物理學家、晶體生長領(lǐng)域?qū)＜襊ascal Puphal說，“有了單晶后，我們就能很好地研究一個系統(tǒng)的固有性質(zhì)?！?/p>

教訓總結(jié)

許多研究人員都在總結(jié)他們能從這個夏天的“超導”烏龍事件中吸取哪些教訓。

對于上述平帶研究的共同作者、美國普林斯頓大學固態(tài)化學家Leslie Schoop來說，草率的計算肯定要算一課。她說：“即使在LK-99出現(xiàn)前，我就一直在提醒使用DFT的注意事項，而現(xiàn)在我有了下一個暑期班的最佳素材?！?/p>

Jain指出了那些常被忽略的老數(shù)據(jù)的重要性，他計算Cu2S電阻率所使用的關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)發(fā)表于1951年。

雖然有些評論者認為LK-99事件是科研可重復性的一個范本，但其他人認為這次能快速偵破廣受關(guān)注的“謎案”是非常罕見的。Fuhrer說：“通常這類事件只會慢慢平息，只有謠言，但沒有人能重現(xiàn)?！?/p>

當1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導體后，研究人員便開始奮力探索它們的性質(zhì)。但Vishik說，近40年后，關(guān)于這種材質(zhì)的超導機制仍爭議不斷。解釋LK-99的研究都是有備而來?！斑@些將原始觀測結(jié)果一一拆解的偵探工作，我認為真的太了不起了，”她說，“而且非常難得?！?/p>

*原文以LK-99 isn’t a superconductor — how science sleuths solved the mystery標題發(fā)表在2023年8月16日《自然》的新聞版塊上

參考文獻

[1]Lee, S.et al.Preprint athttps://arxiv.org/abs/2307.12037(2023).

[2]Lee, S., Kim, J.-H. & Kwon, Y.-W. Preprint athttps://arxiv.org/abs/2307.12008(2023).

[3]Guo, K., Li, Y. & Jia, S.Sci.China Phys. Mech. Astron. https://doi.org/10.1007/s11433-023-2201-9 (2023).

[4]Zhu, S., Wu, W., Li, Z. & Luo, J. Preprint athttps://arxiv.org/abs/2308.04353(2023).

[5]Jiang, Y.et al.Preprint athttps://arxiv.org/abs/2308.05143(2023).

[6]Puphal, P.et al.Preprint athttps://arxiv.org/abs/2308.06256(2023).

[7]Jain, P. K. Preprint athttps://arxiv.org/abs/2308.05222(2023).

策劃制作

來源丨Nature Portfolio，原文標題《“室溫超導體”LK-99烏龍事件：科學家詳解》

作者丨Dan Garisto

責編丨一諾

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