美國學者在 arXiv 發文，理論計算結果支持 LK-99 室溫常壓超導

針對韓國學者 " 室溫超導成果 " 的復現實驗再迎新進展。當地時間 7 月 31 日，美國勞倫斯伯克利國家實驗室研究員辛薩姆 · 格里芬（）在預印本網站 arXiv 上發表了題為《LK-99（銅取代鉛磷灰石）中相關孤立平帶的起源》（Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite）的論文。該論文支持 LK-99 作為室溫超導體的結論，目前已經在 Twitter 上引起了廣泛關注和討論。

圖 | 相關論文（來源：arXiv）

(資料圖)

格里芬通過理論計算模擬了韓國團隊提出的銅離子取代鉛離子、讓材料晶體結構發生應變、進而產生的超導態的過程。

圖 | 辛薩姆 · 格里芬（）（來源：美國勞倫斯伯克利國家實驗室官網）

其還分析了該超導材料的電子結構，發現該材料的費米能級存在孤立平帶，最大帶寬為～130meV。費米能級是指溫度為絕對零度時固體能帶中充滿電子的最高能級，或者說是費米子系統在趨于絕對零度時的化學勢。而費米能級存在孤立平帶則被認為是高溫超導體的標志。即電子的傳導路徑恰好滿足室溫超導的條件，并處在合適的位置上。

（來源：arXiv）

實驗中，格里芬采用 Vienna Ab initio Simulation Package （VASP）進行密度泛函理論計算。考慮到 Cu-d 態的低定位，她在實驗中使用了 Hubbard-U 修正。晶格參數與實驗結果相差 1%。理論計算結果表明：磷灰石結構為穩定高度局部化的 Cu-d9 態提供了一個獨特的框架，而 Cu-d9 態在費米能級上形成了強相關的平帶。

Pb ( 2 ) 位點的 6s2 孤電子的核心作用體現在手性電荷密度波的形成，以及連接多面體的結構扭曲應變的傳播。當 Cu 在 Pb ( 1 ) 位點上被取代時，結果是發生了一連串的結構變化，包括晶格參數改變、配位變化和多面體傾斜的變化，進而導致 Cu 周圍出現局部 Jahn-Teller 畸變三棱柱。

最終形成了一組平坦不正常、半填充的孤立 dyz/dxz 帶。論文中，格里芬還討論了平帶、磁漲落和聲子對超導轉變溫度的影響，她認為 Cu 取代的鉛磷灰石結構上滿足室溫超導所需的特征。

（來源：arXiv）

值得注意的是，該結構處于高能狀態，格里芬認為該材料的合成極具挑戰性，因為需確保添加的微量組分的銅在整個材料中處于合適的晶格位點上，在合適的溫度和壓力下才能展現超導性。

而在此前，中國科學院沈陽金屬所的研究人員也通過第一原理計算研究了 LK-99 及其母體化合物的電子結構，旨在闡明銅的摻雜效應。研究結果表明，母體化合物 Pb10（PO4）6O 是絕緣體，而摻雜銅會引起其由絕緣態向金屬態轉變，從而導致體積收縮。

LK-99 在費米級附近的能帶結構特征是一個半填充的和一個完全填充的平坦帶。他們在這兩個平帶上觀察到了 4 個 van Hove 奇點，這表明該材料具有一定的不穩定性。但是，該團隊并沒有在論文中給出這一材料是否超導的結論。

盡管理論計算結果支持 LK-99 作為室溫超導體的結論，但是實驗上的復現則更為重要，全球范圍內已有多個研究組正在持續跟進。

不少人正對實驗中的一些細節進行探究（例如氧氣在其中發揮的作用），并與韓國團隊保持密切溝通。未來幾周，相信會有更多的研究結果出現。室溫超導的 " 圣杯 " 能否被摘下，還需拭目以待。如果室溫超導真的成為現實，人類有望邁入一個全新的時代。

參考資料：

https://arXiv.org/abs/2307.16892

https://foundry.lbl.gov/about/staff/sinead-griffin/

https://arXiv.org/abs/2307.16040

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