全球合力验证，室温超导这次真的来了吗？

2023-08-03 05:08

上周，全球物理学界迎来爆炸性消息——韩国一个科学家团队表示，他们发现了全球首个室温超导材料，一种名为“改性铅磷灰石晶体结构（下称LK-99，一种掺杂铜的铅磷灰石）”的材料。

8月1日下午，华中科技大学材料学院博士后武浩、博士生杨丽，在常海欣教授的指导下，完成了对此前韩国团队发现的室温超导材料“LK-99”的首次复现验证，成功首次验证合成了可以磁悬浮的LK-99晶体，该晶体悬浮的角度比Sukbae Lee等人获得的样品磁悬浮角度更大，有望实现真正意义的无接触超导磁悬浮。

不过，成功复现磁悬浮只能证明LK-99具有抗磁性，即与磁铁之间存在排斥力，并不能证明它具有韩国团队宣称的常温超导特征。所谓完全抗磁性，只是超导体的必要条件，而非充分条件。想要验证LK-99是否为室温超导体，最关键的还是测量样品是否表现出零电阻特性。可惜的是，受到样品条件限制，复现磁悬浮的样品还无法用于测量电阻。华中科大的实验室已经在制备新一批样品，希望能进一步测量出LK-99的电阻特性。

俄罗斯方面，俄罗斯科学家Iris Alexandra成功制备出了具备常温抗磁性的LK-99晶体，而常温抗磁性正是超导晶体的标志之一，其结果在twitter上发布。

此外，8月1日，美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）在 arXiv 上提交了一篇论文，其结果支持 LK-99 作为室温环境压力超导体。这可能也是相关研究中，第一个证实了「常温常压超导体」理论可行的。

超导态是材料的一种特殊状态，在超导态中，材料处于零电阻的状态中。电阻是材料普遍具有的性质，当电流流经材料时，其内部的晶格、杂质等会对载流子运动产生阻碍，载流子本身携带的能量会被转移到晶格上，宏观上造成焦耳热，电势也会相应下降。

超导体的意义是显而易见的，如果我们的电线都采用超导体，那就不会存在能量衰减。我们现阶段使用的特高压输电技术，其实就是提高输电线的电压，来尽可能降低能量损耗，可如果使用了超导电线，将完全不存在这个问题，将彻底改写整个行业，我们可以直接以市电电压传输电力，完全不需要变电站，我们或许可以直接使用直流电。

凡是用到电的地方，超导体都有很大意义，而当超导体实现常温超导，应用可以渗透到生活的方方面面。比如超导发电、超导电器、量子计算机、磁悬浮交通…… 将使整个人类社会产生重大改变，我们现有的科技可能面临颠覆，能源问题得到重大缓解，对整个人类都具有重大进步意义。以下，Enjoy：

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韩国团队称发现室温超导

7月22日，韩国研究团队发布论文，声称合成了全球首个常压室温超导，临界温度为127℃。论文一经公布，便在网络上引发了热烈讨论。

韩国研究团队称，他们发现了全球首个室温超导材料——改性铅磷灰石晶体结构（下称LK-99，一种掺杂铜的铅磷灰石）。该团队兴奋地指出，“所有证据都可以证明，LK-99是世界首个室温常压超导体。LK-99的诞生意味着室温超导领域的重大突破，开启了一个全新的历史时代。”

为了制造这种名为LK-99的新材料，该韩国研究团队将几种含有铅、氧、硫和磷的粉末状化合物混合在一起，然后在高温下加热数小时，粉末发生化学反应，得到一种掺杂铜的铅-磷灰石晶体。

图片来源：arXiv

据悉，该团队的研究人员包括量子能源研究中心CEO Sukbae Lee，长期从事高温超导方向的物理研究；量子能源研究中心研究员Ji-Hoon Kim，主要负责样品合成工作；以及韩国高丽大学教授Young-Wan Kwon，专注于凝聚态物理、先进材料等领域的研究。

随后，研究人员测量了毫米大小的LK-99样品在不同温度环境下对电流通过的阻力，发现其所谓的电阻率从105℃时的较大正值急剧下降到30℃时的几乎零电阻。

研究小组记录了LK-99的临界温度（Tc）、零电阻率、临界电流（Ic）、临界磁场（Hc）和迈斯纳效应（超导体从一般状态相变至超导态的过程中对磁场的排斥现象）。

该韩国研究团队在论文中称，其发现的LK-99的临界温度为127°C，这意味着这种材料可以很容易在地球上的所有环境中使用。各种效应使得该研究小组确信LK-99确实是一种超导体。

图片来源：arXiv

超导体没有电阻的原因在于内部电子的活动。当某特定材料实现超导时，其中的电子会克服排斥力并配对，在不损失能量的情况下自由流动。该韩国团队认为，LK-99中之所以会出现这种超导情况，是由微小的体积收缩（0.48%）导致的结构形变引起的。

据悉，针对全球首个常压室温超导，韩国团队实际上连发了2篇论文。有意思的是，2篇论文发布时间差不到3小时，且两篇文章作者人数不同，仅有两位重合。第一篇提交于7月22日7时51分，广受关注的第二篇论文则于7月22日10时11分提交。

上述第二篇论文的作者之一、美国威廉与玛丽学院的物理学教授Hyun-Tak Kim在接受采访表示，第一篇论文里存在“许多缺陷”，并且未经他的允许就被上传了。

值得一提的是，研究团队还专门上传了一段视频，以证明LK-99在磁铁上悬浮的情况，这也就是迈斯纳效应，该效应是证明材料超导的重要现象。

根据视频内容显示，它的悬浮情况并不完美，仍有一边似乎接触磁铁。就该情况，Hyun-Tak Kim称，这表示样品并不完美，只有一部分成为超导体并表现出迈斯纳效应。

虽然该韩国科学家团队对室温超导材料的发现令外界非常兴奋，但谨慎对待类似的研究同样也很重要。业内分析指出，在科学上被广泛接受和认可前，还需要同行进一步严格和独立的严重。此外，科学界还必须重复复现，以确认这一发现的可重复性和可靠性。

该韩国研究团队表示，他们理解外界对其研究成果的质疑，也支持任何想自行制备并测试LK-99超导性的人。与此同时，该团队将继续努力完善他们的超导样品，并朝着大规模生产的方向迈进。

据中科院物理所微信公众号27日发文指出，确实不好判断真假。从线上到线下，信任文章结果和质疑超导真实性两方的声音都很大，双方都列出了很多论据，而且互相不能说服。

图片来源：中国科学院物理研究所微信公众号

不过，这次室温超导的真假并不难验证。按韩国作者的说法，最快三天就能制备出一批样品。全世界已经有很多研究组在快马加鞭了。大概一周左右，初步的验证结果就可以公布。如果是真的，超导领域将会天翻地覆；如果是假的，这个闷热的夏季就又多了一件吃瓜的乐事。

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消息称华中科技大学团队成功合成

具备抗磁性的 LK-99“室温超导晶体”，

现已通过迈斯纳效应验证

8 月 1 日消息，B站up 主 @关山口男子技师现放出了华中科技大学合成并验证“LK-99”的视频。

从视频中我们可以看出这颗晶体的抗磁性效果（部分悬浮）。但据他所说，这颗晶体虽然存在抗磁性，但比较弱，也没有所谓的“零阻”，整体表现就像是半导体曲线。他认为，LK-99 就算具备超导相，也是微量的超导杂质，无法形成连续的超导通路。

据称，华中科技大学材料学院博士后武浩、博士生杨丽，在常海欣教授的指导下，成功首次验证合成了可以磁悬浮的 LK-99 晶体，该晶体悬浮的角度比 Sukbae Lee 等人获得的样品磁悬浮角度更大，有望实现真正意义的无接触超导磁悬浮。

不过他也提到，目前该团队只验证了迈斯纳效应，因为要对这一片只有几十微米大小的样品进行测电阻的话会破坏样品。

消息称华中科技大学团队成功合成具备抗磁性的 LK-99“室温超导晶体”，现已通过迈斯纳效应验证

迈斯纳效应（Meissner effect）是超导体从一般状态相变至超导态的过程中对磁场的排斥现象，于 1933 年时被瓦尔特・迈斯纳与罗伯特・奥克森菲尔德（Robert Ochsenfeld）在量度超导锡及铅样品外的磁场时发现。

简单来说，在弱场下超导体几乎“排斥”掉所有的磁通量，因此磁力线无法穿透超导体，因此在迈斯纳效应下电导率可被视为无限，即超导体的一种定义。

在有磁场的情况下，该样品被冷却至它们的超导相变温度以下。在相变温度以下时，样品几乎可以抵消掉所有里面的磁场，而他们只是间接地探测到这个效应。

另一方面，因为超导体也要遵守磁通量守恒定律，所以当里面的场减少时，外面的场就会增加。这项实验最早证明超导体不只是完美的导电体，并为超导态提供一个独特的定义性质。

不过，成功复现磁悬浮只能证明LK-99具有抗磁性，即与磁铁之间存在排斥力，并不能证明它具有韩国团队宣称的常温超导特征。所谓完全抗磁性，只是超导体的必要条件，而非充分条件。

在发表磁悬浮视频的2个小时之后，B站up主“关山口男子技师”又发布了一条补充视频。在新视频中，磁体放置在样品上方，没有看到样品有明显反应。

B站up主“关山口男子技师”发布的补充视频

如果样品具有完全抗磁性，在一定条件下磁体会对样品有吸引力的作用，这一点在补充视频中完全没有体现出来。

当然，受到样品纯度、观察方式等因素影响，暂时也不能下定结论认为LK-99不具备完全抗磁性。

想要验证LK-99是否为室温超导体，最关键的还是测量样品是否表现出零电阻特性。

可惜的是，受到样品条件限制，复现磁悬浮的样品还无法用于测量电阻。华中科大的实验室已经在制备新一批样品，希望能进一步测量出LK-99的电阻特性。

此外，俄罗斯方面，俄罗斯科学家Iris Alexandra成功制备出了具备常温抗磁性的LK-99晶体，而常温抗磁性正是超导晶体的标志之一，其结果在twitter上发布。

常温常压超导首被证明理论可行，

美顶尖实验室论文出炉

就在全世界的科学家们争相做实验的同时，有人为最近韩国科研团队「常温常压超导」研究提供了理论方面的支持。

8月1日，美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）在 arXiv 上提交了一篇论文，其结果支持 LK-99 作为室温环境压力超导体。

目前该论文已经在 Twitter 上引起了广泛的关注与讨论。

有人第一时间看过论文表示：这是一个重大发现，研究提交的速度极快，但其中思考又足够缜密。

在该研究中，LBNL 纳米结构材料理论研究员 Sinéad Griffin 使用美国能源部的计算能力进行模拟，称已经为铜掺杂铅磷灰石的超导性找到了理论基础，费米能级的孤立平带是超导晶体的标志。

通过计算机模型，我们从理论上描述了若现实世界中存在常温超导，其材料应具有什么性质。而如今吸引全球关注的 LK-99 具有这种特殊性质。

这可能也是相关研究中，第一个证实了「常温常压超导体」理论可行的。

在论文提交之后，作者第一时间发推：论文 drop 了，可以睡会儿了。

论文题目为《Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite》。

论文链接：https://arxiv.org/abs/2307.16892

方法概览

本次实验使用了 Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) 进行了所有密度泛函理论（DFT）计算，这是一个用于量子力学计算的软件包。考虑到 Cu-d 态的低定位，实验应用了 Hubbard-U 修正。实验还测试了 2 eV 到 6 eV 之间的 U 值，发现实验结果与所有计算值的结果都相似。正文中的结果是 U = 4 eV 时的结果，该值给出的晶格参数与实验结果相差 1%。

下图 1. (a) 为铅磷灰石结构，如正文所述，具有两个不等价的铅位点。O 或 OH 列位于 Pb (2) 六边形结构所定义的中心列中。Pb_10 (PO_4)_6OH_2 的计算电子定位函数。Pb (2) 周围的氧根受到孤对的排斥。

图 1

下图 2 (a) 的铅磷灰石结构，显示了 9 个配位的 Pb (1) 位。b) Cu 取代结构显示了六配位的 Cu 和 Pb (1) 位点，具有扭曲的三棱柱配位，两种不同的键长，上下三角形之间 24 ◦ 的刚性扭转。右侧是 Cu-d 9 的晶体场图。

图 2

下图 3 为计算出的自旋极化电子能带结构（左）和相应的态密度。图左橘黄色实线表示自旋向上能带，蓝色虚线表示自旋向下能带。图右灰色阴影表示总态密度，其中粉色显示为 Cu-d 轨迹，绿色显示为相邻的 O-p 轨迹。两张图中，费米能级均设置为 0 eV。

图 3

值得注意的是，该研究发现一组孤立的平面带穿过费米能级，最大带宽为～130 meV (见前文图 4)：

这些理论结果表明，磷灰石结构为稳定高度局部化的 Cu-d^9 态提供了一个独特的框架，而 Cu-d^9 态在费米能级上形成了强相关的平带。Pb (2) 的立体化学活性 6s^2 孤电子的核心作用体现在手性电荷密度波的形成，以及连接多面体的结构扭曲的传播。

当 Cu 在 Pb (1) 位点上被取代时，结果是一连串的结构变化，包括晶格参数减少、配位变化和多面体倾斜的改变，进而导致 Cu 周围出现局部 Jahn-Teller 扭曲三棱柱。最终形成了一组平坦不正常、半填充的孤立 d_yz/d_xz 带。

为何室温超导总是受广泛关注？

其实，如今距离人类首次发现超导现象已经有100多年了。早在1911年，荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes就已经发现，当温度降低至4.2K（约-268.95℃）时，浸泡在液氨里的金属汞的电阻会消失。

在韩国此次的研究公布之前，也有其他研究人员声称开发出了室温超导的材料。

早在2020年，美国内华达大学的研究人员就称其开发出了一种室温超导材料，并成立了一家名为Unearthly Materials来进一步开发。

今年3月份，来自美国罗切斯特大学的物理学家 Ranga Dias 声称自己在 21℃条件下实现了室温超导 —— 由氢（99%）、氮（1%）和纯镥制成的材料 LNH 在 21°C、1GPa 条件下就实现了超导状态。

不过，Dias团队的研究发表后遭到多方质疑。加州大学圣地亚哥分校理论物理学家乔治·赫希（Jorge E.Hirsch）教授指出，Dias本人并没有在拉斯维加斯的美国物理学会会议上对他们团队的研究进行复现。而在Dias的研究公布后，南京大学闻海虎团队曾火速安排重复实验，但团队发现，Dias给的制备样品方案几乎不可行，于是他们结合自己的条件，完全以新的方式进行合成并得到了镥氮氢材料。“我们的实验清楚地表明，从环境压力到6.3GPa，温度低至10K（约-263摄氏度），镥氮氢材料LuH2±xNy中不存在超导性。”

由于Dias团队的另一篇关于室温超导的论文曾在2020年被《自然》撤稿，理由是研究人员在数据处理方面存在违规行为，这削弱了编辑们对类似研究结果的信心。

近年来，全球之所以对室温超导材料关注如此密切，正是因为这项技术一旦得到突破，将有可能彻底改变科学和技术的方方面面。室温超导体最显著的优点之一是其提供了前所未有的能源利用效率。通常来讲，超导体需要极低的环境才能实现，这使得它们的实际应用受到严格限制，这些应用主要集中在能源密集型领域。如果能在室温条件下实现超导性，输电和配电系统将因为几乎为零的电阻而不造成任何能量的损失。

来源：经纬创投综合IT之家（ithomenews) 、每日经济新闻（nbdnews)、机器之心（almosthuman2014）、果壳（Guokr42）、量子位（QbitAI）

References:

1)消息称华中科技大学团队成功合成具备抗磁性的 LK-99“室温超导晶体”，现已通过迈斯纳效应验证，IT之家（ithomenews)

2）韩国团队称发现室温超导！中科院物理所“前排吃瓜”，南大教授：极可能是假象，正重复试验，每日经济新闻（nbdnews)

3）刚刚，常温常压超导首被证明理论可行：美顶尖实验室论文出炉，机器之心（almosthuman2014）

4）别急着庆祝，室温超导距离证明还差十万八千里，果壳（Guokr42）

5）「首个室温常压超导体」！127度以下常压都能实现超导，有原子结构有视频，网友：里…里程碑式成果？，量子位（QbitAI）

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来源: qq

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