这种材料在社交媒体上引发热议，但一些科学家正在抗议盲目炒作。


韩国一团队宣布发现室温常压超导体的消息引发震动，众多科研人员和业余爱好者纷纷展开了重复性实验。不过，对这个热议结果的实验和理论重复不尽如人意，研究人员仍深表怀疑。


悬浮是超导性的一个主要标志。来源：Patrick Gaillardin / LookAt Sciences / SPL


7月25日，首尔初创公司Quantum Energy Research Centre的Sukbae Lee和Ji-Hoon Kim领导的团队在arXiv上发布预印本论文[1，2]，报道了一种名为LK-99的铜、铅、磷和氧的化合物，能在常压和127°C（400开尔文）的临界温度下实现超导。该团队表示，他们的样品展现出超导的两大关键特征：零电阻和迈斯纳效应（Meissner effect），即材料能排斥磁场，从而使样品悬浮于磁铁之上。之前的尝试只能让材料在极低温或极高压的条件下实现超导。目前尚无材料被证实是环境条件下的超导体。


LK-99宣称的超导性立即引来了科学界的审视。加州大学戴维斯分校的凝聚态实验学家Inna Vishik说：“我的第一反应是‘不’。这些材料也会被叫做‘不明超导体’（Unidentified Superconducting Objects），总是雷打不动地出现在arXiv上，每年都会有一个新的。”超导性对计算机芯片和磁悬浮列车等技术具有潜在影响，这方面的进展也因此受到追捧，但Vishik指出，这种狂热可能有些过了。历史上，超导领域的进展对基础科学意义重大，但对日常应用影响很小。Vishik说，没有人能保证室温超导体有任何实际应用价值。


最早一批重复LK-99结果的尝试并未提升这种材料的前景。这些研究都无法提供任何超导性的直接证据。（该韩国团队并未回复《自然》的评论请求。）


印度国家物理实验室[3]和北京航空航天大学[4]分别开展了独立的重复实验。两个团队都合成了LK-99，但并未观测到超导的迹象。南京的东南大学[5]开展了第三项实验，也未发现迈斯纳效应，但在LK-99处于−163°C（110K）时测量到了零电阻——该温度远低于室温，但对超导体来说算是高温。


理论学家们也加入了这场争论。多项研究[6-9]用名为“密度泛函理论”（density functional theory，DFT）的计算方法计算了LK-99的电子结构。DFT的计算揭示了在其他材料中与铁磁性和超导性这类行为相关的电子特征。但这些研究都没有发现LK-99可能是环境条件下超导体的证据。


早期重复


重复团队先按照韩国团队描述的过程合成LK-99，这一步需要混合粉末状成分，并分两步加热，第二步加热要达到925 °C。（高温和铅的使用引发了对业余爱好者进行重复的担忧，研究人员认为这一步很危险。）


为了确认合成后材料的结构和特性，重复团队使用了原子成像技术——X射线晶体技术。北航团队的结论是，其样品结构与LK-99的“高度一致”。


印度国家物理实验室团队成员、物理学家Veerpal Singh Awana说明了他们的样品与韩国团队的微小差异。他说：“我们的LK-99与声称实现超导性的LK-99非常相似。”


伦敦大学学院的化学家Robert Palgrave表示，这两个重复团队获得的X射线衍射图案无论是彼此之间还是与韩国团队相比，都有明显差异。（北航团队并未回复《自然》的评论请求。）


Palgrave说，东南大学团队获得的X射线衍射数据与韩国团队的样品更为接近。但多名研究人员对该团队能在−163°C实现零电阻表示质疑。美国麻省理工学院的凝聚态物理学家Evan Zalys-Geller认为电阻测量不够灵敏，无法区分超导体和铜一类的低电阻金属。（东南大学团队并未回复评论请求。）


理论难题


对LK-99结构的不确定性，限制了研究人员根据假设结构进行理论计算所能得出的结论。


7月31日，推特上发布的一篇理论分析让网上的很多爱好者为之一振。美国劳伦斯伯克利国家实验室研究量子材料的Sinéad Griffin分享了她的论文[6]，还附了一张美国前总统奥巴马“扔麦”（mic drop）的动图。群众的乐观情绪来自Griffin用DFT发现LK-99有“平带”（flat bands），提示该材料的电子之间紧密关联。“平带系统似乎会表现出很有意思的物理特性，”Vishik说，“所以当一种材料被预测存在平带时，大家就会很激动。”


Griffin之后打击了这种乐观情绪，她在推文中写道，“我的论文并没有证明也没有提供超导性的证据。”


其他理论分析也指向了平带的存在，但所有分析都基于对结构的同一个假设，美国普林斯顿大学固体化学家Leslie Schoop说，“简而言之，在我看到正确的晶体结构前，我不相信任何DFT的结果。”


Griffin也认同知道结构非常关键。但她说韩国团队发现的结构与其他磷酸铅矿物很相似。“所以有这种可能性也不奇怪。”


Schoop说，即使将来的实验证实了平带的存在，这种特性也不能保证材料就能室温超导。平带与超导的相关性来自其他材料，比如由小角度扭转的原子厚度碳层组成的“转角”石墨烯在−271°C（1.7 K）具有超导性，而且具有平带特性[10]。但这无法证明基于铅的LK-99能在其团队声称的温度下实现超导。


视频疯传


重复实验的收效甚微并未平息网友的各种猜测。网上疯传的样品视频自称是因为超导现象实现了悬浮，但事实上许多材料和物体，如石墨、青蛙、钳子都能表现出类似的磁性行为。


之前对室温超导的报道总能成为热点，包括充满争议的物理学家Ranga Dias在3月声称实现了室温超导。但是，这次与LK-99相关的热度超过了之前的任何一次。


一些科学家因为看不下去这种盲目炒作，便用绳子等道具悬挂日常物质模仿这些悬浮视频。“有一天我打开推特看到了一大堆简陋的视频，里面都是悬浮的小石头。”纽约州立大学宾汉姆顿分校物理学家Eric Aspling说。作为回应，他也上传了一个视频，视频里是一个用胶带悬挂的“叉子形状的LK-99样品”。他说：“我心里在想，‘怎么会有人相信这些的？’”


参考文献：

1. Lee， S. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2307.12037 (2023).

2. Lee， S.， Kim， J.-H. & Kwon， Y.-K. Preprint at https://arxiv.org/abs/2307.12008 (2023).

3. Kumar， K.， Karn， N. K. & Awana， V. P. S. Preprint at https://arxiv.org/abs/2307.16402 (2023).

4. Liu， L. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2307.16802 (2023).

5. Hou， Q.， Wei， W.， Zhou， X.， Sun， Y. & Shi， Z. Preprint at https://arxiv.org/abs/2308.01192 (2023).

6. Griffin， S. M. Preprint at https://arxiv.org/abs/2307.16892 (2023).

7. Lai， J.， Li， J.， Liu， P.， Sun， Y. & Chen， X.-Q. Preprint at https://arxiv.org/abs/2307.16040 (2023)

8. Kurleto， R. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2308.00698 (2023).

9. Si， L. & Held， K. Preprint at https://arxiv.org/abs/2308.00676 (2023).

10. Lisi， S. et al. Nature Phys.17， 189–193 (2021).


原文以Claimed superconductor LK-99 is an online sensation — but replication efforts fall short标题发表在2023年8月4日《自然》的新闻版块上


本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Dan Garisto