更多团队进场：进击中的LK99室温超导研究

先说一个鬼故事，超导材料Tc的大突破几乎都是所谓行外带来的，比如Cu氧化物超导，米勒和贝德诺尔茨并非超导领域内的权威，在脆又硬的陶瓷里面找超导也出乎当时大多数人的意料。在此之前，大家关注的焦点先是纯金属，继而是合金。类似的，在Cu氧化物超导成为主流后，我国的马琰铭教授等又率先在富氢高压体系里找到了更高Tc的超导材料。

1987年诺贝尔物理奖得主，左：贝德诺尔茨，右：米勒。

外行/新人频频在超导领域有所斩获，说明超导现象是自然界中的一种普遍现象。当科学家沉迷于某种已知超导体系里不能自拔时，一个外行/新人很有可能在其业余/莽撞的尝试中偶然打开一个新超导体系的大门。

向室温进军的超导，右上角最高的CSHx尚未被证实。

回到LK-99，第一波基于这种材料的理论/计算预印本以及合成/实验预印本已经出炉。一些实验的影像资料还被发送到社交平台上。这种透明房子中，围观/景观式科研也是历史上的头一遭。预印本作者在社交平台上与网友互动，流量和关注构成了异于传统的研究动力。

Griffin发在X.com上的帖子。

目前受关注最多的一篇文章是来自美国劳伦斯·伯克利国家实验室-材料科学部Sinéad Griffin的一篇理论/计算文章。该预印本只有一个作者，看样子全部工作都是由Sinéad Griffin操刀完成的。Sinéad Griffin是一名年轻有为的计算材料专家，师从著名计算材料科学家Nicola Spaldin。Spaldin是业内非常有影响力的科学家，前些年火热的多铁领域就是由Spaldin和Ramesh共同开创的，她的研究领域还自然延伸到从大爆炸（没有看错，Spaldin也研究大爆炸，反正都是计算机模拟）到自旋电子学等。Griffin作为Spaldin的学生，实力也是很强的。

左：Sinéad Griffin（青年才俊），右：Nicola Spaldin（资深大牛，我认为她有准诺奖水平）。

除了Griffin的这篇文章外，科罗拉多大学博尔德分校的Daniel S. Dessau也发表了一个类似的研究。科罗拉多大学博尔德分校是美国物理学研究的一个重镇，同时Daniel S. Dessau也是颇具知名度的物理学家，高温超导也是其研究领域。这说明，LK99已经激起美国一些知名科学家的关注，并第一时间算了材料的电子能带结构。

Daniel S. Dessau教授

当然，也不是所有的科学家都看好LK99，马里兰大学的Condensed Matter Theory Center（CMTC）是一个在X.com上相当活跃的社交账号，据说是凝聚态大牛Das Sarma亲自在玩，CMTC在X.com上对LK99的评价基本上是否定的，语言表达比较犀利，大概也是“看一眼、说一句算我输”的意思。详情这里不展开，大家可以自己找来看看。

Das Sarma教授，其所在的马里兰大学也是美国物理学研究的一个重镇。

## 费米面附近的平带

那么这四篇理论/计算的预印本都说了些什么呢？

四篇文章，两篇来自美国（1,3），两篇来自中国（2,4），说实话没时间全看，我只看了第一篇，其他的只看了看摘要。主要结果是一样的：Cu掺杂，使得Cu取代的铅磷灰石（LK99）能带上出现了一个平带，并正好在费米面附近。

左图：橙线就是所谓平带，右图是左图的局部放大，可读出这个平带的宽度是大约130 meV。虚线是费米面。

上图摘自Griffin的预印本，所谓平带就是能带宽度很小的意思，这里读出是约130 meV，平带的一个直接结果就是电子的态密度（DOS）较大，直观的理解就是单位能量差距（δE）在动量空间中有更多的态，对应左图右侧的灰色部分。费米面（虚线）正好位于这个平带位置上，这意味着费米面附近的态密度ρ0(E_F)较大。

G E Volovik，著名俄罗斯凝聚态物理学家，他和Landau一样，其实什么都研究。现在，常驻芬兰。

在BCS框架下，平带电子结构会导致一个Tc的公式（这个工作是俄国物理大神G. E. Volovik完成的）：

这里ρ0(E_F)是费米面处的态密度，|U|是电子间有效相互作用的大小。当ρ0(E_F)很大时，Tc将正比于|U|ρ0(E_F)。

这意味着对平带来说，即便|U|不大，我们也可能获得较高的Tc，这也是我们在研究莫尔系统（转角石墨烯）时的经验。

好了，以上就是对平带的介绍，以及它为什么给我们带来了无限联想。但问题是，并不是说有平带就一定会有超导，CMTC账号说：也可能是磁性失稳（magnetic instabilities）。

CMTC在X.com上的评论

对此Griffin没有异议，她说平带除可导致超导，也可导致金属-绝缘体转变，电荷密度波，或磁性，它们都很有趣！

Griffin在X.com上的评论

总之，这个理论/计算的结果不能过度解读。要是对超导感兴趣，后续我们还可以尝试在电声子框架（麦克米兰方程）下计算电-声子耦合及Tc。大家又可以快乐地水文章了。

## 样品及实验

需要说明的是：理论计算是一方面，但这不是决定性的。决定性的仍然是需要实验科学家制备更好的样品，提供更清楚的超导证据，主要就是零电阻和迈斯纳效应，当然还可以测一下比热跳变。

再秀一下别的超导材料的证据。

目前看实验合成的是多晶样品，且样品中含有杂质，这就导致潜在的超导临界电流（Ic）过低，或很难测到零电阻现象。

韩国科学家本身的试验已经表明样品可能具有弱抗磁性，这一结论目前也已被独立的试验所证实。但需说明的是样品具有抗磁性和样品具有迈斯纳效应并不是一回事。考虑到样品中可能有不少杂质，后续还需要进一步优化样品制备，得到更大，潜在超导比例更高的样品，并完成磁化率的测量。

迈斯纳效应不仅要上能悬浮，还需下能悬挂。

此外由于II类超导体在Tc以下具有特殊形状的磁滞回线（MH），对抗磁信号明显的样品测一下低温磁滞回线，可辅助判断样品是否真的超导。

左：II类超导体在Tc下的磁滞回线，右：LK99在200K时的磁滞回线（From B站）。

因样品中潜在有多种不同杂质，对每一种杂质的物性测量也是需要的，以排除各种虚假信号，比如北航预印本（arXiv: 2307.16802）指出Pb2SO5就是一种抗磁材料，即必须排除弱抗磁性是各种杂质导致的。

Pb2SO5是抗磁的。

## 小结：

1. 理论/计算得到了Cu掺杂导致的费米面附近的平带，但这是否会导致超导还需进一步的证据。合成/实验方面，LK-99能够被合成，同时样品具有弱抗磁性被某些组证实，但样品具有弱抗磁性不代表样品具有迈斯纳效应。虽然LK-99室温超导没有被证实，但以上两个微小进展会导致更多组进场来重复这个工作。

2. 其实我们现在手上的有效信息和韩国科学家刚刚发布两篇预印本时差不多，但过去几天更多科学家的工作也证明，这组韩国科学家确实没有造假（水变油或捏造数据），他们欠缺的是经验，资源和合作关系。在目前如此高的关注度之下，希望能快速澄清这个体系里面的问题。

3. 不论证实，还是证伪，我们都需要等待一段时间才有结果。考虑到我们还可以用除Cu以外的元素去掺杂（沈阳国家材料科学实验室的预印本已经开始讨论不同元素掺杂的影响了），这个过程可能会很长。

(@奇迹笔记)