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LK-99超导最新进展: 理论支持铜掺杂改性铅磷灰石确实存在室温超导性,但相对应材料结构可能很难合成

LK-99超导最新进展: 理论支持铜掺杂改性铅磷灰石确实存在室温超导性,但相对应材料结构可能很难合成

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如果对于韩国团队最近提出的室温超导背景不太了解,可以去看LK-99超导材料及复现进展总结: 超导暂未复现,但磁化率初步测量应该保底是一种低成本抗磁材料


简单总结一下目前最新进展: 复现实验目前均未观察到超导迹象,但多篇理论计算模拟文章支持LK-99具有高转变温度的超导现象,不过相对应材料结构中铜原子的位置应该需要非常特别的控制才能实现,而且这些位置大部分是和最容易形成的稳态相悖的。


为了求发表速度,这波LK-99所有相关文章都是被直接上传到非同行审议的公开论文数据网站arXiv上。最新上传的两篇用VASP模拟的理论计算文章分别来自北航和中科院沈阳材料科学国家实验室团队和美国能源部(DOE)下属的劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员Sinéad Griffin。


北航与中科院沈阳材料科学国家实验室一起做的关于LK-99结构的研究。
研究结果大概表明,导入铜以后,发生了一个绝缘体到金属的改变,并且体积缩小。

论文地址:https://arxiv.org/pdf/2307.16040.pdf
论文中,研究人员利用第一原理计算研究了LK-99及其母体化合物的电子结构,旨在阐明铜的掺杂效应。
研究结果表明,母体化合物是绝缘体,而掺杂铜会引起绝缘体金属转变,从而导致体积收缩。
LK-99在费米级附近的能带结构特征是一个半填充的和一个完全填充的平坦带。
这两个平坦带都来自1/4占据的O原子的2p轨道和Cu的3d轨道与其最近邻O原子的2p轨道的混合。
有趣的是,研究人员在这两个平带上观察到,4个van Hove奇点,这表明在低温下电子向结构畸变的不稳定性。
但论文并没有下定论,该材料是否能超导。
然后是几小时前,美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员也提交了一份arXiv论文,声称自己证实了LK-99存在超导特征。
具体来讲,研究发现,费米能级孤立平坦带是超导晶体的标志,而LK-99也具备该特征。
(如果觉得上下面是来自网络自媒体念经的内容,没耐心想直接看重点结论可以直接往后拉)
论文中,作者模拟了韩国提出材料发生的情况,即铜原子渗入晶体结构并取代铅原子,导致晶体产生轻微应变并收缩0.5%。
据介绍,这种独特的结构,正是为了实现这一神奇特性而提出的。

论文地址:https://arxiv.org/pdf/2307.16892.pdf
劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员Sinéad Griffin,使用美国能源部的算力模拟了这一现象。
作者使用了一种叫做「密度泛函理论」(DFT)的计算方法,来探究铜取代磷灰石的性质。
研究人员发现,LK-99在费米能级(一个重要的能量水平)附近存在一些特殊的能带结构,这些能带被称为「孤立的平带」。
这些孤立的平带在已知的一些已建立的超导体家族中,都是高转变温度的标志。
LK-99中孤立平带的起源有两个。
其中一个来源是由于铜离子导致了材料的结构畸变,即原子排列的变化。另一个来源是由于铅离子的孤立电子对形成了一个特殊的电荷密度波。
作者指出,这些结果暗示了一个简化的模型,即「双带模型」,可以较好地描述这种材料中的低能量物理行为。
与此同时,作者还研究了这种材料的「电子结构」会发生什么变化,即材料中有哪些可用的传导途径。
结果发现,电子的传导路径,恰好处于能使它们「超导」的适当条件和位置。
更具体地说,它们接近「费米面」,费米面就像电能的海平面,比如「海平面以上0英尺」。
人们认为,靠近费米面的传导路径越多,超导温度就越高。打个比方,由于「地面效应」,飞机更容易飞近海洋表面,从而获得更大的升力。
论文中,这幅图显示了,费米表面上下交叉的「带」或电子通路。
这些有趣的传导路径,只有在铜原子渗入晶格中较不可能的位置或「较高能量」结合部位时才会形成。
这意味着这种材料很难合成,因为只有一小部分晶体中的铜会恰好处于正确的位置。
​同时,更稳定优先容易被铜取代的Pb的位置反而不利于超导的形成,因此合成过程中需要精准控制铜的位置。
这就在某种意义上降低了LK-99的有趣性,因为之前提出这种潜在超导材料最吸引人的地方除了“室温超导”之外,还有“原材料廉价易得”以及“合成方法路径简单”,根据理论计算的结构成果看来,后者显然不是LK-99成为理想超导材料的优势之一了。
另外韩国团队上传了新一版修改的论文,没什么大进展,就是此前作者Hyun-Tak Kim曾提到的y轴磁化率错误,以及latex论文仍然还有typo。。。
根据以上内容可以看出,因为韩国团队给出的合成路径控制条件信息细节太少,导致合成复现过程目前均不成功,很有可能也是因为上文提到的合成方法困难,少量的抗磁性和超导迹象可能来自于很少量的恰好处于合适Pb替代位置的Cu,但是如果大规模生产制造控制肯定会是个难题。
目前网友(Andrew)已经提出了大量复现中遇到的实操问题,比如:
​对实验过程中的细节处理:
前体材料要到纯度级别?要求粒径是多少? 
使用前,是否需要进行任何必要的预处理步骤? 
Lanarkite反应的环境是空气还是真空? 
LK99对最后的925°C步骤的持续时间有多敏感?
还有对实验结果的疑问:
能否详细说明所观察到的块状材料和薄膜之间的差异? 
块状材料与薄膜的成分相同吗? 
规定配方的重复性如何,SC 行为在样本中是否随机? 
专利图22中,电阻率值取自哪个区域?浅灰色还是深灰色区域?
等等......
One more thing, 
举个栗子来说理论上可行/存在的材料在现实生活中很难被大规模合成应用的栗子:
一家名为Taj Quantum的区块链公司自称同样实现了室温超导,并且已经申请了专利。
就在今天早上,他们发布了超导体的照片,并介绍称,这是一种石墨烯泡沫材料。
从美国专利局已经可以下载到专利原文。

https://kdocs.cn/l/caKwDx25VrCU?f=201
然而,即便这个东西为真,也不是我们讨论的第一类超导。脂肪酸沁润石墨烯实现超导在实操层面没有意义的点在于满足要求的石墨烯(二维材料)基本无法大规模量产,成本极高,因此理论研究可以为实验提供指导意义,但实操层面仍然道阻且长。

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