Nature：LK-99 不是超导体

研究人员似乎已经解开了 LK-99 之谜。科学探测工作发现了这种材料不是超导体的证据，并澄清了它的实际特性。

这一结论打破了人们对 LK-99 —— 一种铜、铅、磷和氧的化合物（标志着发现了第一种在室温和环境压力下工作的超导体）的希望。相反，研究表明，材料中的杂质：特别是硫化铜，是导致电阻率急剧下降和部分悬浮在磁铁上的原因，这看起来与超导体表现出的特性相似。

德国斯图加特马克斯·普朗克固体研究所团队合成的 LK-99 纯晶体

对此，加州大学戴维斯分校的凝聚态实验学家 Inna Vishik 说：“我认为事情在这一点上已经有了定论。”

LK-99 的传奇始于 7 月下旬，当时首尔一家新成立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 在常压和温度至少高达 127 ºC（400 开尔文）的条件下是一种超导体。在此之前，所有被证实的超导体都只能在极端温度和压力下发挥作用。

这一非同寻常的说法迅速吸引了对科学感兴趣的公众和研究人员的注意，其中一些人试图复制 LK-99。最初的尝试没有发现室温超导的迹象，但也不是决定性的。现在，经过数十次的复制努力，许多专家自信地表示，证据显示 LK-99 并非室温超导体。

1）积累证据

韩国研究小组根据 LK-99 的两个特性提出了自己的观点：在磁铁上悬浮和电阻率骤降。但中国科学院的研究小组找到了这些现象的世俗解释。

8月8日，中国科学院团队发文表示，没有观察到低于转变温度的零电阻率。“我们认为，LK-99 中所谓的超导行为很可能是由于 Cu2S 在 385 K 左右发生一阶结构相变，从高温下的β相转变为低温下的γ相，从而导致电阻率降低。”

链接：

https://arxiv.org/abs/2308.04353

另一项由美国和欧洲研究人员进行的研究结合了实验和理论证据，证明了 LK-99 的结构如何使超导不可行。其他实验人员合成并研究了 LK-99 的纯样品，消除了对这种材料结构的怀疑：证实它不是超导体，而是绝缘体。

8月9日，美国和欧洲研究人员发文表示，材料更有可能是一种磁体，而不是一种常温常压超导体。

8月11日，研究人员发文表示，排除了晶体中存在超导电性的可能。

当时，澳大利亚墨尔本莫纳什大学物理学家Michael Fuhrer评价道：“现在，或许只有韩国研究小组分享他们的样品，才能进一步证实这一点。”

也许最能证明 LK-99 超导性的证据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材料样本在磁铁上晃动。韩国小组说，样品之所以悬浮是因为迈斯纳效应--超导性的标志之一，在这种效应中，材料会释放磁场。随后，社交媒体上流传着多段未经证实的 LK-99 悬浮视频，但最初试图复制这一发现的研究人员都没有观察到任何悬浮现象。

2）只悬浮“一半”？

马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的前凝聚态物质研究员Derrick van Gennep发现了一些问题，他现在从事金融工作，但对 LK-99 很感兴趣。在视频中，样品的同一条边缘似乎粘在磁铁上，看起来平衡得很微妙。相比之下，悬浮在磁铁上的超导体可以旋转，甚至可以倒持。

Van Gennep认为 LK-99 的特性更可能是铁磁性的结果。于是，他用压缩石墨屑制成了一个颗粒，上面粘有铁屑。Van Gennep制作的视频显示，他的圆盘（由非超导铁磁材料制成）模仿了 LK-99 的行为。

视频地址：

https://twitter.com/VanGennepD/status/1688052003216261120

8 月 7 日，北京大学的研究小组报告说，他们的 LK-99 样品出现这种“半悬浮”现象是因为铁磁性。研究报告的共同作者、凝聚态物理学家李源说：“这就像锉铁实验一样。小球会受到一个提升力，但这个力不足以让它悬浮，只足以让它在一端保持平衡。”

李和他的同事测量了样品的电阻率，没有发现超导现象。但他们无法解释韩国团队看到的电阻率急剧下降的原因。

3）不纯的样品

韩国作者在他们的预印本中指出，在一个特定的温度下，LK-99 的电阻率下降了十倍，从大约 0.02 欧姆-厘米下降到 0.002 欧姆-厘米；当时的温度是104.8ºC。

合成 LK-99 的反应使用了一个不平衡的配方：每生成 1 份掺铜的磷酸铅晶体（纯 LK-99），就会产生 17 份铜和 5 份硫。这些残留物会产生大量杂质，尤其是硫化铜，韩国研究小组在其样本中就发现了硫化铜。

硫化铜专家Jain记得 104ºC 是 Cu2S 发生相变的温度。低于这一温度，暴露在空气中的 Cu2S 的电阻率会急剧下降——这一信号与 LK-99 声称的超导相变几乎相同。

8月9日，Prashant K. Jain发文表示“已知硫化铜（I）在 104 摄氏度时会发生相变，从有序的低温相转变为高温超离子相。由于这种相变，硫化铜（I）在电阻率和热容量方面表现出急剧的转变，预计这与 LK-99 的温度诱导转变相吻合。这意味着必须在不含任何 Cu2S 的情况下合成 LK-99，才能明确验证 LK-99 的超导特性。”

在8 月 8 日的文章中，中科院团队报告了 LK-99 中 Cu2S 杂质的影响。当时，中科院物理学家雒建林说：“不同含量的 Cu2S 可以用不同的工艺合成。研究人员测试了两个样品：第一个样品在真空中加热，Cu2S含量为5%；第二个样品在空气中加热，Cu2S含量为70%。”

第一个样品的电阻率在冷却过程中相对平稳地增加，与其他复制尝试中的样品相似。但第二个样品的电阻率在接近112 ºC（385K）时急剧下降，与韩国团队的观察结果非常吻合。

两个样品（S1和S2）电阻率的温度依赖性。

要对 LK-99 的特性做出定论是很困难的，因为这种材料很微妙，样品中含有不同的杂质。因此，足够接近原样的样品足以检验 LK-99 在环境条件下是否是一种超导体。

4）“晶莹剔透”的LK-99

有了对电阻率下降和半翘曲的有力解释，许多人确信 LK-99 不是室温超导体。但谜团依然存在，即这种材料的实际特性是什么？

利用密度泛函理论（DFT）预测 LK-99 结构的初步理论尝试暗示了一种有趣的电子特征，即“平带(flat band)”。在这些区域中，电子移动缓慢，并可能具有很强的相关性。在某些情况下，这种行为会导致超导。但这些计算是基于对 LK-99 结构未经验证的假设。

为了更好地了解这种材料，美欧研究小组对其样品进行了精确的 X 射线成像，以计算 LK-99 的结构。最重要的是，成像使他们能够进行严格的计算，从而澄清了平带的情况：它不利于超导；相反，LK-99 中的平带来自于强局域化电子，它们无法以超导体所需的方式“跃迁(hop)”。

8 月 14 日，位于德国斯图加特的马克斯·普朗克固体研究所的另一个研究小组报告合成了纯净的 LK-99 单晶体。与以往依赖坩埚的合成尝试不同，研究人员使用了一种称为浮动区晶体生长(floating zone crystal growth)的技术，从而避免了在反应中引入硫，消除了 Cu2S 杂质。

结果产生了一种透明的紫色晶体——纯 LK-99，即 Pb8.8Cu1.2P6O25。从杂质中分离出来的 LK-99 不是超导体，而是绝缘体，其电阻高达数百万欧姆，高得无法进行标准电导率测试。它显示出轻微的铁磁性和二磁性，但还不足以实现部分悬浮。

——“因此，我们排除了超导存在的可能性。”

研究小组认为，在 LK-99 中看到的超导迹象可归因于 Cu2S 杂质，而它们的晶体中不存在这种杂质。

a) 在 7 T 温度下，在场强冷却 (FC) 和零场强冷却 (ZFC) 模式下测量的第 2 批结合低温和加热器选项的晶体的磁化率随温度变化的关系。b) 在 2、300 和 800 K 温度下测量的同一晶体的磁化率随场强变化的关系。

这一系列“乌龙”，让我们不得不开始反思从今年夏天轰动一时的超导现象、甚至蔓延至股市暴涨的风波中学到了什么。一些评论家将 LK-99 的传奇故事视为科学可重复性的典范，而另一些评论家则认为，这是异常迅速地解决了一个备受瞩目的难题。

除了科学上的重要意义外，室温超导对于推动技术应用和经济社会影响，将会是颠覆性的——这也是为什么学界、业界对于破解这一谜题的热情一直“趋之若鹜”。

1911年，荷兰物理学家海因里希·康拉德·昂内斯首次发现了超导现象。他在实验中发现，当某些金属冷却到极低温度时，电阻突然降为零。这一发现开启了超导研究的新时代。

此后，巴丁、库珀和朔里弗三位科学家在1957年提出了BCS理论；卡尔·米勒和亚历山大·米勒在1986年发现了一种铜氧化物材料，可以在液氮温度下实现超导，被称为高温超导体；2020年，由美国、德国和法国等国的科学家合作，研究团队报告了在极高压力下实现了氢化硫的室温超导突破......

美国、欧洲、日本、中国、加拿大、澳大利亚、韩国等国的研究机构也都在超导研究方面取得了重要进展。

参与超导研究国家和研究机构列举。来源：光子盒研究院整理

在中国，超导技术也已经实现了许多商业化应用，涵盖能源、交通、医疗、科学研究等多个领域。

中国在超导技术应用的重要进展。来源：光子盒研究院整理

量子计算将是这项工作的直接受益者，有了室温超导技术，量子计算将变得更加实用和容易获得。大多数量子计算机都需要在接近绝对零度的超低温下运行，以尽量减少噪音。这种极度冷却的要求不仅在技术上具有挑战性，而且成本高昂，同时也限制了量子计算系统的可扩展性。室温超导体具有在环境温度下无阻力导电的能力，可以为量子比特提供稳定、可控的环境，而无需复杂的冷却系统。