重復(fù)實(shí)驗(yàn)一一拼湊出這種材料出現(xiàn)類似超導(dǎo)行為的原因。

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

這個(gè)結(jié)論打破了對(duì)于LK-99——一種銅、鉛、磷和氧組成的化合物——是首個(gè)室溫常壓超導(dǎo)體的希望。實(shí)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(dǎo)體很像。

(資料圖片)

加州大學(xué)戴維斯分校凝聚態(tài)物質(zhì)實(shí)驗(yàn)學(xué)家Inna Vishik說：“我覺得在這個(gè)節(jié)點(diǎn)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(dāng)時(shí)，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(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)布了預(yù)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(dǎo)體。之前所有經(jīng)證實(shí)的超導(dǎo)體只能在極端溫度和壓強(qiáng)下運(yùn)作。

這一消息很快得到了科學(xué)愛好者和科研工作者的關(guān)注，他們很多人嘗試復(fù)制LK-99。最早的重復(fù)工作沒能觀察到室溫超導(dǎo)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(fù)，許多專家自信地表示，證據(jù)顯示LK-99并不是室溫超導(dǎo)體。（Lee和Kim的團(tuán)隊(duì)沒有回復(fù)《自然》的評(píng)論請(qǐng)求。）

積累證據(jù)

該韓國團(tuán)隊(duì)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(xué)[3]和中國科學(xué)院[4]的獨(dú)立團(tuán)隊(duì)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(xiàng)研究[5]，通過結(jié)合實(shí)驗(yàn)和理論證據(jù)證實(shí)了LK-99的結(jié)構(gòu)為何不可能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性。其他實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)也合成并研究了LK-99的純樣品[6]，消除了大家對(duì)該材料結(jié)構(gòu)的疑慮，證實(shí)了它不是超導(dǎo)體，而是絕緣體。

進(jìn)一步的確認(rèn)只能來自該韓國團(tuán)隊(duì)共享他們的樣品，墨爾本莫納什大學(xué)的物理學(xué)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(dǎo)性最惹人注目的證據(jù)可能是該韓國團(tuán)隊(duì)拍攝的一段視頻，視頻里一個(gè)硬幣大小的銀色樣品懸浮在一塊磁鐵上。該團(tuán)隊(duì)表示，這個(gè)樣本之所以能懸浮是因?yàn)檫~斯納效應(yīng)——邁斯納效應(yīng)是超導(dǎo)性的一個(gè)標(biāo)志，它能讓材質(zhì)抵抗磁場。多個(gè)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(fù)實(shí)驗(yàn)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(xué)前凝聚態(tài)物質(zhì)研究員Derrick van Gennep對(duì)LK-99很感興趣，他亮起了好幾個(gè)“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(shí)際上，懸浮在磁鐵上方的超導(dǎo)體能旋轉(zhuǎn)，甚至能翻轉(zhuǎn)。Gennep說：“這些行為和我們?cè)贚K-99視頻中看到的都不是一回事?！?/p>

他認(rèn)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(gè)小球。Van Gennep做的視頻顯示，他用非超導(dǎo)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(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)道他們的LK-99樣本是因?yàn)殍F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(xué)家李源說：“這完全就像是一個(gè)鐵屑實(shí)驗(yàn)。”這個(gè)小球受到了升力但不足以達(dá)到懸浮，只能在一端保持平衡。

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

非純樣品

韓國團(tuán)隊(duì)在他們的預(yù)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(xué)厄巴納-香檳分校的化學(xué)家Prashant Jain說，“我當(dāng)時(shí)的反應(yīng)是，等等，我知道這個(gè)溫度。”

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(huì)導(dǎo)致大量雜質(zhì)，尤其是韓國團(tuán)隊(duì)報(bào)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(huì)急劇下降，這個(gè)現(xiàn)象與 LK-99所謂的超導(dǎo)相變幾乎一模一樣?！拔?guī)缀醪桓蚁嘈潘麄儧]注意到這個(gè)。”Jain就這種很重要的混淆效應(yīng)發(fā)布了一篇預(yù)印本論文[7]。

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

第一個(gè)樣品的電阻率在冷卻過程中相對(duì)平緩地增加，與其他重復(fù)實(shí)驗(yàn)的樣品看起來很類似。但第二個(gè)樣品的電阻率在接近112 oC（385K）時(shí)開始驟降——與韓國團(tuán)隊(duì)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(rèn)為這是超導(dǎo)體的原因，’”Fuhrer說，“蓋棺定論的是這個(gè)硫化亞銅?！?/p>

對(duì)LK-99的特性很難決定性地概括，因?yàn)檫@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(xì)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(yàn)LK-99在環(huán)境條件下究竟是不是超導(dǎo)體。

水落石出

對(duì)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(dǎo)體。但這個(gè)謎團(tuán)還沒有結(jié)束——這種材質(zhì)的實(shí)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(yù)測(cè)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(dòng)并緊密相關(guān)。某些情況下，這種特性會(huì)產(chǎn)生超導(dǎo)性。但這些計(jì)算都基于對(duì)LK-99結(jié)構(gòu)的未經(jīng)證實(shí)的假設(shè)。

為了更好地理解這種材料，上述美國-歐洲團(tuán)隊(duì)[5]對(duì)他們的樣品進(jìn)行了精確的X射線成像，以計(jì)算LK-99的結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵是，這次成像讓他們能進(jìn)行很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算，從而闡明了關(guān)于平帶的具體情況：它們并不能促進(jìn)超導(dǎo)性的產(chǎn)生。實(shí)際上，LK-99中的平帶來自強(qiáng)局域的電子，無法以超導(dǎo)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(gè)團(tuán)隊(duì)報(bào)道[6]合成了純的單晶LK-99。與之前需要用到坩堝的合成實(shí)驗(yàn)不同，該團(tuán)隊(duì)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(dǎo)體，而是百萬歐姆電阻的絕緣體——這個(gè)電阻過高，無法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的電導(dǎo)率試驗(yàn)。它表現(xiàn)出很小的鐵磁性和抗磁性，還不足以實(shí)現(xiàn)部分懸浮。該團(tuán)隊(duì)在結(jié)論中表示，“我們因此排除了存在超導(dǎo)性的可能?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)指出，LK-99中觀察到的超導(dǎo)現(xiàn)象要?dú)w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(dǎo)該研究的馬普所物理學(xué)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(gè)系統(tǒng)的固有性質(zhì)?！?/p>

教訓(xùn)總結(jié)

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

對(duì)于上述平帶研究的共同作者、美國普林斯頓大學(xué)固態(tài)化學(xué)家Leslie Schoop來說，草率的計(jì)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(xiàng)，而現(xiàn)在我有了下一個(gè)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(jì)算Cu2S電阻率所使用的關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)表于1951年。

雖然有些評(píng)論者認(rèn)為LK-99事件是科研可重復(fù)性的一個(gè)范本，但其他人認(rèn)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(huì)慢慢平息，只有謠言，但沒有人能重現(xiàn)。”

當(dāng)1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物超導(dǎo)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(dǎo)機(jī)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(cè)結(jié)果一一拆解的偵探工作，我認(rèn)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(biāo)題發(fā)表在2023年8月16日《自然》的新聞版塊上

參考文獻(xiàn)

[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(biāo)題《“室溫超導(dǎo)體”LK-99烏龍事件：科學(xué)家詳解》

作者丨Dan Garisto

責(zé)編丨一諾

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