重复实验一一拼凑出这种材料出现类似超导行为的原因。
研究人员似乎已经揭开了围绕LK-99的疑云。科学侦探们已经找到了这种材料并非超导体的证据，并阐明了其实际特性。
这个结论打破了对于LK-99——一种铜、铅、磷和氧组成的化合物——是首个室温常压超导体的希望。实际上，研究显示这种材料中的杂质——尤其是硫化铜——才是电阻率快速下降并能部分悬浮于磁铁上方的原因，这些特性看起来与超导体很像。
加州大学戴维斯分校凝聚态物质实验学家Inna Vishik说：“我觉得在这个节点上事情已经基本很明朗了。”
德国马克斯·普朗克固态研究所合成的LK-99纯晶体。来源：Pascal Puphal
这次的LK-99乌龙事件始于7月底——当时，由首尔初创公司量子能源研究中心（Quantum Energy Research Centre）的Sukbae Lee和Ji-Hoon Kim领导的团队发布了预印本论文[1，2]，称LK-99是一种在常压和至少127 ºC（400开尔文）温度下的超导体。之前所有经证实的超导体只能在极端温度和压强下运作。
这一消息很快得到了科学爱好者和科研工作者的关注，他们很多人尝试复制LK-99。最早的重复工作没能观察到室温超导的现象，但还不能作为最终结论。而现在，经过数十次的重复，许多专家自信地表示，证据显示LK-99并不是室温超导体。（Lee和Kim的团队没有回复《自然》的评论请求。）
积累证据
该韩国团队的结论基于LK-99表现出的两种特性：能在磁铁上悬浮以及电阻率极速下降。然而，北京大学[3]和中国科学院[4]的独立团队发现这些现象能用很普通的原因解释。
美国和欧洲研究人员开展的另一项研究[5]，通过结合实验和理论证据证实了LK-99的结构为何不可能实现超导性。其他实验团队也合成并研究了LK-99的纯样品[6]，消除了大家对该材料结构的疑虑，证实了它不是超导体，而是绝缘体。
进一步确认只能来自该韩国团队共享他们的样品，墨尔本莫纳什大学的物理学家Michael Fuhrer说，“现在他们有压力让大家信服。”
关于LK-99超导性最惹人注目的证据可能是该韩国团队拍摄的一段视频，视频里一个硬币大小的银色样品悬浮在一块磁铁上。该团队表示，这个样本之所以能悬浮是因为迈斯纳效应——迈斯纳效应是超导性的一个标志，它能让材质抵抗磁场。多个来路不明的LK-99悬浮视频在社交媒体上流传，但最早一批重复实验全都没有观察到任何悬浮现象。
半悬浮
现从事金融业的哈佛大学前凝聚态物质研究员Derrick van Gennep对LK-99很感兴趣，他亮起了好几个“红灯”。在视频中，样品的同一边似乎粘在磁铁上，维持着微妙的平衡。而实际上，悬浮在磁铁上方的超导体能旋转，甚至能翻转。Gennep说：“这些行为和我们在LK-99视频中看到的都不是一回事。”
他认为LK-99的特性更像是铁磁性的结果。为此，他用粘了铁屑的压缩石墨烯薄片做了一个小球。Van Gennep做的视频显示，他用非超导铁磁材料做的小球能模拟出LK-99的行为。
8月7日，北京大学团队报道他们的LK-99样本是因为铁磁性才出现了这种“半悬浮”现象。该研究共同作者、凝聚态物理学家李源说：“这完全就像是一个铁屑实验。”这个小球受到了升力但不足以达到悬浮，只能在一端保持平衡。
李源和他的同事测量了他们样品的电阻率，并未发现超导现象。但他们没能解释韩国团队观察到的电阻率迅速下降的现象。
非纯样品
韩国团队在他们的预印本论文中指出了LK-99的电阻率出现10倍下降——从0.02欧姆-厘米（ohm-cm）到0.002欧姆-厘米——的特定温度。“他们给出了很精确的温度，104.8ºC，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学家Prashant Jain说，“我当时的反应是，等等，我知道这个温度。”
合成LK-99的反应使用的配方不平：合成的每1份铜掺杂铅磷灰石——纯LK-99，它能产生17份铜和5份硫。这些残留物会导致大量杂质，尤其是韩国团队报道样品中存在的硫化铜。
硫化铜专家Jain记得104ºC是Cu2S发生相变的温度。低于该温度，暴露在空气中的Cu2S的电阻率会急剧下降，这个现象与 LK-99所谓的超导相变几乎一模一样。“我几乎不敢相信他们没注意到这个。”Jain就这种很重要的混淆效应发布了一篇预印本论文[7]。
8月8日，中国科学院团队报道了LK-99 中Cu2S杂质的这种效应。中国科学院的物理学家雒建林说：“Cu2S的不同含量可以通过不同过程合成。”研究团队测试了两个样品，第一个在真空中加热，结果得到了5%的Cu2S含量，第二个在空气中加热，得到了70%的Cu2S含量。
第一个样品的电阻率在冷却过程中相对平缓地增加，与其他重复实验的样品看起来很类似。但第二个样品的电阻率在接近112 ºC（385K）时开始骤降——与韩国团队观察到现象很像。
“这一刻我告诉自己，‘好吧，这显然是他们认为这是超导体的原因。’”Fuhrer说，“盖棺定论的是这个硫化亚铜。”
对LK-99的特性很难决定性地概括，因为这种材料很特殊，而且样品含有的杂质各不相同。李源说：“即使是我们自己合成的，每批样品也有细微差异。”但李源表示，这些样品与原始样品足够相似，可以用来检验LK-99在环境条件下究竟是不是超导体。
水落石出
对电阻率下降和半悬浮的有力解释，让领域内的许多人都相信LK-99并非室温超导体。但这个谜团还没有结束——这种材质的实际性质到底如何？
一开始的理论分析使用“密度泛函理论”（DFT）预测了LK-99的结构，并提示其具有“平带”的电子特征。在平带区域，电子能缓慢移动并紧密相关。某些情况下，这种特性会产生超导性。但这些计算都基于对LK-99结构的未经证实的假设。
为了更好地理解这种材料，上述美国-欧洲团队[5]对他们的样品进行了精确的X射线成像，以计算LK-99的结构。关键是，这次成像让他们能进行很严谨的计算，从而阐明了关于平带的具体情况：它们并不能促进超导性的产生。实际上，LK-99中的平带来自强局域的电子，无法以超导体需要的方式“跃迁”。
8月14日，德国马克斯·普朗克固态研究所的另一个团队报道[6]合成了纯的单晶LK-99。与之前需要用到坩埚的合成实验不同，该团队使用名为浮区晶体生长的技术，这样就不用在反应中加入硫，也能避免Cu2S这种杂质。
最后得到是透明的紫色晶体——纯LK-99，或称Pb8.8Cu1.2P6O25。分离了杂质的LK-99也不是超导体，而是百万欧姆电阻的绝缘体——这个电阻过高，无法进行标准的电导率试验。它表现出很小的铁磁性和抗磁性，还不足以实现部分悬浮。该团队在结论中表示，“我们因此排除了存在超导性的可能。”
该团队指出，LK-99中观察到的超导现象要归功于Cu2S杂质，而他们的晶体中没有这种杂质。“这次事件完美体现了为什么我们需要单晶，”领导该研究的马普所物理学家、晶体生长领域专家Pascal Puphal说，“有了单晶后，我们就能很好地研究一个系统的固有性质。”
教训总结
许多研究人员都在总结他们能从这个夏天的“超导”乌龙事件中吸取哪些教训。
对于上述平带研究的共同作者、美国普林斯顿大学固态化学家Leslie Schoop来说，草率的计算肯定是其中一个因素。她说：“即使在LK-99出现前，我就一直在提醒使用DFT的注意事项，而现在我有了下一个暑期班的最佳素材。”
Jain指出了那些常被忽略的老数据的重要性，他计算Cu2S电阻率所使用的关键测量数据发表于1951年。
虽然有些评论者认为LK-99事件是科研可重复性的一个范本，但其他人认为这次能快速侦破广受关注的“谜案”是非常罕见的。Fuhrer说：“通常这类事件只会慢慢平息，只有谣言，但没有人能重现。”
当1986年发现铜氧化物超导体后，研究人员便开始奋力探索它们的性质。但Vishik说，近40年后，关于这种材质的超导机制仍争议不断。解释LK-99的研究都是有备而来。“这些将原始观测结果一一拆解的侦探工作，我认为真的太了不起了，”她说，“而且非常难得。”
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.-W. Preprint at https://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 at https://arxiv.org/abs/2308.04353 (2023).
5. Jiang， Y. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2308.05143 (2023).
6. Puphal， P. et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/2308.06256 (2023).
7. Jain， P. K. Preprint at https://arxiv.org/abs/2308.05222 (2023).
原文以LK-99 isn’t a superconductor — how science sleuths solved the mystery标题发表在2023年8月16日《自然》的新闻版块上 © nature doi: 10.1038/d41586-023-02585-7
本文来自微信公众号：Nature Portfolio （ID：nature-portfolio），作者：Dan Garisto