BALI@ 2023.08.17 , 21:20

复制实验拼凑出了这个材料为何表现出超导样行为的谜底。

德国斯图加特马克斯普朗克固体研究所的研究小组合成了LK-99的纯晶体

研究人员似乎已经解开了LK-99的谜题。科学侦探工作揭示了这种材料并非超导体，并澄清了它的实际性质。

这个结论打破了人们对LK-99的希望，因为这种由铜、铅、磷和氧组成的化合物曾被认为是第一种在室温和常压下工作的超导体。相反，研究表明，材料中的杂质，尤其是硫化铜，是导致电阻率急剧下降和在磁铁上部分悬浮的原因，这些现象看起来类似于超导体的特性。

“我认为现在事情已经非常明确了，”加州大学戴维斯分校的凝聚态物理实验学家Inna Vishik说道。

LK-99的故事始于7月底，当时首尔一家初创公司量子能源研究中心的Sukbae Lee和Ji-Hoon Kim领导的团队发表了预印本，声称LK-99是一种在常压和至少127℃(400开尔文)的温度下的超导体。之前确认的所有超导体只在极端温度和压力下工作。

这一非凡的声明迅速引起了对科学感兴趣的公众和研究人员的关注，其中一些人试图复制LK-99。最初的尝试没有看到室温超导性的迹象，但也没有得出确定性的结论。现在，在进行了数十次复制实验之后，许多专家有信心地表示，证据表明LK-99并不是室温超导体。(Lee和Kim的团队没有回应《自然》杂志的置评请求。)

积累的证据

韩国团队的声明基于LK-99的两个特性：在磁铁上方悬浮和电阻率的突然下降。但北京的另外两个团队，北京大学3和中国科学院4(CAS)，找到了这些现象的平凡解释。

美国和欧洲研究人员的另一项研究5结合了实验和理论证据，证明了LK-99的结构使得超导性成为不可行的。其他实验者合成并研究了纯净的LK-99样品6，消除了对材料结构的疑虑，并确认它不是超导体，而是绝缘体。

莫纳什大学物理学家Michael Fuhrer表示，唯一的进一步证实将来自韩国团队共享他们的样品。“他们需要说服其他人，这是他们的责任，”他说。

对于LK-99超导性的最引人注目的证据可能是韩国团队拍摄的一段视频，视频显示一个硬币形状的银色样品在磁铁上摇晃。团队称样品之所以悬浮是因为迈斯纳效应——一种超导体的标志，即材料排斥磁场。之后在社交媒体上流传了多个未经验证的LK-99悬浮视频，但最初尝试复制这些发现的研究人员没有观察到任何悬浮现象。 半悬浮状态

哈佛大学前凝聚态物理研究员Derrick van Gennep对LK-99产生了兴趣，他现在在金融领域工作，但对LK-99感到好奇。在视频中，样品的同一边似乎粘在磁铁上，而且它看起来很平衡。相比之下，悬浮在磁铁上的超导体可以旋转甚至倒挂。“LK-99视频中的这些行为都不像我们在LK-99视频中看到的那样，”van Gennep说。

他认为LK-99的特性更有可能是铁磁性的结果。因此，他制作了一个由压缩石墨屑和粘在上面的铁屑构成的圆盘。Van Gennep制作的视频显示，他的圆盘——由非超导性的铁磁性材料制成——模仿了LK-99的行为。

8月7日，北京大学团队报告称，他们的LK-99样品中出现了这种“半悬浮”现象，原因是铁磁性。研究合著者、凝聚态物理学家Yuan Li表示：“这就像一个铁屑实验一样。”圆盘经历了一个升力，但不足以悬浮，只能在一端保持平衡。

Li和他的同事测量了他们样品的电阻率，没有发现超导性的迹象。但他们无法解释韩国团队观察到的电阻率急剧下降。

杂质样品

在他们的预印本中，韩国作者注意到LK-99在一个特定温度下显示出电阻率下降了十倍，从约0.02欧姆·厘米下降到0.002欧姆·厘米。“他们对此非常精确。104.8℃，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学家Prashant Jain说道。“我当时就想，等一下，我知道这个温度。”

合成LK-99的反应使用了一个不平衡的配方：对于每1部分制造的铜掺杂磷酸铅晶体(纯净的LK-99)，它产生了17部分铜和5部分硫。这些剩余物导致了许多杂质，尤其是韩国团队在样品中报告的硫化铜。

铜硫化物专家Jain记得104℃是Cu2S发生相变的温度。在低于这个温度时，暴露在空气中的Cu2S的电阻率急剧下降，这几乎与LK-99所谓的超导相变的信号相同。“我几乎不敢相信他们错过了这一点。” Jain在一篇重要的预印本7中发表了这个重要的混淆效应。

8月8日，中国科学院团队报告了LK-99中Cu2S杂质的影响。“可以使用不同的工艺合成不同含量的Cu2S，”中国科学院物理学家罗建林说道。研究人员测试了两个样品——第一个在真空中加热，结果得到5%的Cu2S含量，第二个在空气中加热，得到70%的Cu2S含量。

第一个样品的电阻率在冷却过程中相对平稳增加，与其他复制尝试的样品相似。但第二个样品的电阻率在112℃(385K)附近急剧下降，与韩国团队的观察结果非常接近。

“那一刻，我说，‘显然，这就是让他们认为这是一个超导体的原因，’”Fuhrer说道。“这个铜硫化物就是最后的定论。”

由于LK-99的性质多变，样品中含有不同的杂质，因此很难对其性质做出确定性的陈述。“即使是从我们自己的生长中，不同批次也会稍有不同，”李说道。但李认为，接近原始样品的样品足以检查LK-99在常压条件下是否是超导体。

清晰的结晶

随着对电阻率下降和半悬浮现象的强有力解释，许多人都相信LK-99不是室温超导体。但仍然存在一些谜团，即这种材料的实际性质是什么？

最初使用一种称为密度泛函理论(DFT)的方法对LK-99的结构进行理论尝试时，暗示了有趣的电子特征，称为“平带”。这些是电子移动缓慢且可以强烈相关的区域。在某些情况下，这种行为会导致超导性。但这些计算是基于对LK-99结构的未经验证的假设。

为了更好地理解这种材料，美国和欧洲的研究团队进行了精密的X射线成像，以计算LK-99的结构。关键是，成像使他们能够进行严格的计算，澄清了平带的情况：它们不利于超导性。相反，LK-99中的平带来自强局域化的电子，这些电子无法像超导体那样“跳跃”。

8月14日，德国斯图加特马克斯·普朗克固体研究所的一个独立团队报告称，他们合成了纯净的LK-99单晶。与之前依赖坩埚的合成尝试不同，研究人员使用了一种称为浮区晶体生长的技术，使他们能够避免将硫引入反应中，消除了Cu2S杂质。

结果是一个透明的紫色晶体——纯净的LK-99，或Pb8.8Cu1.2P6O25。与杂质分离开来，LK-99不是超导体，而是具有百万欧姆级的电阻——太高以至于无法进行标准的电导率测试。它表现出轻微的铁磁性和抗磁性，但不足以产生部分悬浮。“因此，我们排除了超导性的存在，”该团队得出结论。

该团队认为，在LK-99中观察到的超导性迹象可以归因于Cu2S杂质，而这些杂质在他们的晶体中不存在。“这个故事正好说明了为什么我们需要单晶，”晶体生长专家、领导这项研究的马克斯·普朗克物理学家Pascal Puphal说道。“当我们有单晶时，我们可以清楚地研究系统的内在性质。”

吸取的教训

许多研究人员正在反思他们从今年夏天的超导性轰动中学到了什么。

对于新泽西州普林斯顿大学的固态化学家Leslie Schoop来说，关于过早计算的教训是明确的。“即使在LK-99之前，我一直在讲述如何小心使用DFT的演示，现在我有了下一个暑期学校的最佳故事，”她说。

Jain指出了旧数据的重要性——他依赖于对Cu2S电阻率的关键测量结果，这些结果发表于1951年。

虽然一些评论家将LK-99的故事视为科学中可再现性的典范，但也有人说这是一个异常迅速解决的备受关注的谜题。“通常这些事情会以非常缓慢的方式消亡，只有谣言，没有人能够复制它，”Fuhrer说道。

1986年发现铜氧化物超导体时，研究人员迅速探索了它们的性质。但近40年后，关于这种材料的超导机制仍存在争议，Vishik说道。解释LK-99的努力却来得容易。“将所有原始观察的碎片整理起来的侦探工作——我认为这真的很棒，”她说。“而且这种情况相对较少见。”

本文译自 nature，由BALI编辑发布。