針對(duì)韓國學(xué)者 " 室溫超導(dǎo)成果 " 的復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)再迎新進(jìn)展。當(dāng)?shù)貢r(shí)間 7 月 31 日，美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室研究員辛薩姆 · 格里芬（）在預(yù)印本網(wǎng)站 arXiv 上發(fā)表了題為《LK-99（銅取代鉛磷灰石）中相關(guān)孤立平帶的起源》（Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite）的論文。該論文支持 LK-99 作為室溫超導(dǎo)體的結(jié)論，目前已經(jīng)在 Twitter 上引起了廣泛關(guān)注和討論。

圖 | 相關(guān)論文（來源：arXiv）

(資料圖)

格里芬通過理論計(jì)算模擬了韓國團(tuán)隊(duì)提出的銅離子取代鉛離子、讓材料晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生應(yīng)變、進(jìn)而產(chǎn)生的超導(dǎo)態(tài)的過程。

圖 | 辛薩姆 · 格里芬（）（來源：美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)）

其還分析了該超導(dǎo)材料的電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該材料的費(fèi)米能級(jí)存在孤立平帶，最大帶寬為～130meV。費(fèi)米能級(jí)是指溫度為絕對(duì)零度時(shí)固體能帶中充滿電子的最高能級(jí)，或者說是費(fèi)米子系統(tǒng)在趨于絕對(duì)零度時(shí)的化學(xué)勢(shì)。而費(fèi)米能級(jí)存在孤立平帶則被認(rèn)為是高溫超導(dǎo)體的標(biāo)志。即電子的傳導(dǎo)路徑恰好滿足室溫超導(dǎo)的條件，并處在合適的位置上。

（來源：arXiv）

實(shí)驗(yàn)中，格里芬采用 Vienna Ab initio Simulation Package （VASP）進(jìn)行密度泛函理論計(jì)算?？紤]到 Cu-d 態(tài)的低定位，她在實(shí)驗(yàn)中使用了 Hubbard-U 修正。晶格參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差 1%。理論計(jì)算結(jié)果表明：磷灰石結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定高度局部化的 Cu-d9 態(tài)提供了一個(gè)獨(dú)特的框架，而 Cu-d9 態(tài)在費(fèi)米能級(jí)上形成了強(qiáng)相關(guān)的平帶。

Pb ( 2 ) 位點(diǎn)的 6s2 孤電子的核心作用體現(xiàn)在手性電荷密度波的形成，以及連接多面體的結(jié)構(gòu)扭曲應(yīng)變的傳播。當(dāng) Cu 在 Pb ( 1 ) 位點(diǎn)上被取代時(shí)，結(jié)果是發(fā)生了一連串的結(jié)構(gòu)變化，包括晶格參數(shù)改變、配位變化和多面體傾斜的變化，進(jìn)而導(dǎo)致 Cu 周圍出現(xiàn)局部 Jahn-Teller 畸變?nèi)庵?/p>

最終形成了一組平坦不正常、半填充的孤立 dyz/dxz 帶。論文中，格里芬還討論了平帶、磁漲落和聲子對(duì)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響，她認(rèn)為 Cu 取代的鉛磷灰石結(jié)構(gòu)上滿足室溫超導(dǎo)所需的特征。

（來源：arXiv）

值得注意的是，該結(jié)構(gòu)處于高能狀態(tài)，格里芬認(rèn)為該材料的合成極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樾璐_保添加的微量組分的銅在整個(gè)材料中處于合適的晶格位點(diǎn)上，在合適的溫度和壓力下才能展現(xiàn)超導(dǎo)性。

而在此前，中國科學(xué)院沈陽金屬所的研究人員也通過第一原理計(jì)算研究了 LK-99 及其母體化合物的電子結(jié)構(gòu)，旨在闡明銅的摻雜效應(yīng)。研究結(jié)果表明，母體化合物 Pb10（PO4）6O 是絕緣體，而摻雜銅會(huì)引起其由絕緣態(tài)向金屬態(tài)轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致體積收縮。

LK-99 在費(fèi)米級(jí)附近的能帶結(jié)構(gòu)特征是一個(gè)半填充的和一個(gè)完全填充的平坦帶。他們?cè)谶@兩個(gè)平帶上觀察到了 4 個(gè) van Hove 奇點(diǎn)，這表明該材料具有一定的不穩(wěn)定性。但是，該團(tuán)隊(duì)并沒有在論文中給出這一材料是否超導(dǎo)的結(jié)論。

盡管理論計(jì)算結(jié)果支持 LK-99 作為室溫超導(dǎo)體的結(jié)論，但是實(shí)驗(yàn)上的復(fù)現(xiàn)則更為重要，全球范圍內(nèi)已有多個(gè)研究組正在持續(xù)跟進(jìn)。

不少人正對(duì)實(shí)驗(yàn)中的一些細(xì)節(jié)進(jìn)行探究（例如氧氣在其中發(fā)揮的作用），并與韓國團(tuán)隊(duì)保持密切溝通。未來幾周，相信會(huì)有更多的研究結(jié)果出現(xiàn)。室溫超導(dǎo)的 " 圣杯 " 能否被摘下，還需拭目以待。如果室溫超導(dǎo)真的成為現(xiàn)實(shí)，人類有望邁入一個(gè)全新的時(shí)代。

參考資料：

https://arXiv.org/abs/2307.16892

https://foundry.lbl.gov/about/staff/sinead-griffin/

https://arXiv.org/abs/2307.16040

運(yùn)營 / 排版：何晨龍