論文與新視頻來(lái)了，東南大學(xué)對(duì)「室溫超導(dǎo)」LK-99奇特電阻行為的解釋

其實(shí)只是銅在導(dǎo)電？

最近，各國(guó)科學(xué)家有關(guān)韓國(guó)「室溫超導(dǎo)」材料 LK-99 的研究陸續(xù)出爐，持悲觀(guān)態(tài)度的人越來(lái)越多。

不過(guò)人們同時(shí)也認(rèn)為，雖然可能不是超導(dǎo)，但 LK-99 所展現(xiàn)的特殊性質(zhì)可能會(huì)推進(jìn)凝聚態(tài)物理領(lǐng)域向前進(jìn)步。人們對(duì) LK-99 的認(rèn)知仍遠(yuǎn)算不上清晰，對(duì)其本質(zhì)的猜測(cè)包括半導(dǎo)體、磁性材料、高導(dǎo)電無(wú)機(jī)聚合物等等不一而足。

8 月 14 日，東南大學(xué)侯強(qiáng)、魏瑋、周鑫、王欣悅、孫悅、施智祥等人的論文《Current percolation model for the special resistivity behavior observed in Cu-doped Apatite》提交到了預(yù)印版論文平臺(tái) arXiv 上，這份最新研究對(duì)于 LK-99 的特性進(jìn)行了一些解釋。

視頻地址：https://www.bilibili.com/video/BV19u4y1i7nu/

東南大學(xué)教授孫悅今天早上在 B 站上傳了視頻第一時(shí)間進(jìn)行了解讀。有趣的是，他表示論文其實(shí)在上周四晚就已提交到 arXiv 平臺(tái)了，視頻也在那時(shí)已準(zhǔn)備好，但可能因?yàn)樵?huà)題過(guò)于敏感，論文直到周一才正式上線(xiàn)。

東南大學(xué)的團(tuán)隊(duì)圍繞 LK-99 建立起了一種模型，來(lái)解釋它的奇特電阻行為。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2308.05778

此前，在 8 月 2 日，孫悅所在的團(tuán)隊(duì)表示在 110K 以下且常壓的情況下觀(guān)察到了 LK-99 的零電阻。但當(dāng)時(shí)其表示這并不是室溫超導(dǎo)的證據(jù)，還有待進(jìn)一步的探索和測(cè)量。

接下來(lái)，我們來(lái)看下孫老師這次的視頻分析。

首先是圖 1，是對(duì) Pb10-xCux (PO4) 6O 主相及銅和硫化二銅雜質(zhì)樣品的 X 射線(xiàn)衍射（XRD）分析，XRD 是研究晶體物質(zhì)和某些非晶態(tài)物質(zhì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)的有效方法，也是科研人最常用的材料表征方法之一。

東南大學(xué)制成 LK-99 樣品的 X 射線(xiàn)衍射圖，主相 Pb10-xCux (PO4) 6O 以及雜質(zhì)相 Cu 和 Cu2S。

同時(shí)，孫老師團(tuán)隊(duì)也在論文中直觀(guān)標(biāo)注了樣品上可能是銅的區(qū)域。他們也對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行了仔細(xì)地分析。成分分析結(jié)果表示，下圖中這樣的紅色區(qū)域的主要成分是銅或者銅、鉛組成的島。孫老師此后的模型也是基于這樣的成分分析提出的假設(shè)。

圖 2（a）：樣品照片；（b）樣品的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（c）整個(gè)樣品、（d）和（b）中紅色圓圈區(qū)域的能量色散 X 射線(xiàn)光譜（EDS）。（e）鉛、（f）銅和（g) 磷的能量色散 X 射線(xiàn)光譜圖。

其實(shí)從樣品照片（圖 2 a）上我們就能直觀(guān)地看到其中點(diǎn)綴著黃色的區(qū)域，很明顯是銅。為了驗(yàn)證猜測(cè)，我們對(duì)材料進(jìn)行仔細(xì)的 X 射線(xiàn)能譜（EDX）分析（圖 2f），可見(jiàn)銅分布并不均勻。若對(duì)指定區(qū)域（圖 2b 紅圈）分析可知銅摩爾比例超過(guò) 90%，可認(rèn)為此區(qū)域基本由銅、鉛組成。

基于此分析結(jié)果，研究人員提出了假設(shè)。

以下是孫老師團(tuán)隊(duì)在 LK99 上觀(guān)測(cè)到的四種特殊的電阻率行為（均在同一樣品上觀(guān)察到）。圖 3a 是很多科研團(tuán)隊(duì)此前報(bào)告觀(guān)察到的半導(dǎo)體行為，即隨著溫度降低，電阻不斷上升，我們?cè)诖蠖鄶?shù)樣品上觀(guān)察到的都是這樣的結(jié)果。

圖 3：通過(guò)對(duì)同一樣品的不同區(qū)域進(jìn)行四次測(cè)量獲得的電阻率與溫度的關(guān)系。

其中圖 3b 展示的正是孫老師在上一次視頻中提到的在 110K（約 - 163℃）以下近似零電阻的結(jié)果，其研究早些時(shí)候提交在 arXiv 上（論文《Observation of zero resistance above 100° K in Pb10?xCux (PO4) 6O》）。

孫老師也承認(rèn)，上次的研究將其稱(chēng)為零電阻不夠嚴(yán)謹(jǐn)，更為準(zhǔn)確的說(shuō)法是近似零電阻（或低于儀器分辨率的極小電阻）。

還有另外一種電阻行為，圖 3c 是 250K（約 - 23℃）的時(shí)候，電阻率抖降，但仍然不是零。此時(shí)可以觀(guān)察到一個(gè)線(xiàn)性下降的電阻曲線(xiàn)，7.1K 時(shí)電阻急速下降，研究人員認(rèn)為此處和金屬鉛的性質(zhì)接近（鉛的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度是 7.1K）。

基于這種觀(guān)察，研究人員提出一種滲流模型。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，我們可以認(rèn)為在樣品內(nèi)部形成了很多銅和鉛的「島」，如圖 3C。一般情況下島是互相分離的，所以會(huì)隨溫度降低呈現(xiàn)半導(dǎo)體特性。

但是若銅和鉛的區(qū)域非常密集，如圖 3f 中（但室溫下仍然是相互分離的），隨著溫度降低這些銅和鉛的島距離會(huì)逐漸接近，因此材料的電阻率會(huì)逐漸下降。這是因?yàn)殡娏魍ǖ郎蠒?huì)有更多低電阻的銅和鉛起到作用。當(dāng)溫度足夠低時(shí)，銅和鉛的區(qū)域互相聯(lián)通，形成了電流通路，絕大多數(shù)電流通過(guò)這種方式通行。

此時(shí)可通過(guò)四引線(xiàn)法檢測(cè)到電流很小，電壓也非常小，我們還會(huì)觀(guān)察到類(lèi)似圖 3b 中非常小的近似零電阻情況。

另外還有一種最為極端的情況（如圖 3d）。在室溫條件下某些區(qū)域的銅和鉛連接成為通道，此時(shí)測(cè)量會(huì)顯示銅鉛通道的電阻。

以上就是東南大學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)于 LK-99 特殊電阻率特性的解釋。

該團(tuán)隊(duì)也對(duì)磁化進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何邁斯納效應(yīng)的信號(hào)。因此我們可以認(rèn)為，在 LK-99 上目前沒(méi)有觀(guān)測(cè)到超導(dǎo)現(xiàn)象 。

圖 4：樣品的磁化強(qiáng)度。

在視頻的結(jié)尾，孫老師表示室溫超導(dǎo)是他們這樣的超導(dǎo)人的最終夢(mèng)想和目標(biāo)，他個(gè)人是愿意相信室溫超導(dǎo)是存在的。

雖然，這波室溫超導(dǎo)近乎已經(jīng)被錘死。但正如孫老師所說(shuō)，認(rèn)為任何偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)都不是一蹴而就的。相信通過(guò)一代一代研究人員的努力，我們終會(huì)實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)。