两天之内4项研究揭示 LK-99 潜在的超导能力


两天之内,就有 4 项研究有助于解释 LK-99 潜在的超导能力。

这些模拟的关键特性趋于一致,表明这是一类新的超导材料,并有助于解释我们迄今为止看到的 TK-99 的怪异之处。

以下是迄今为止易于消化的总结:(提醒:仍未进行实验再复制!!)

所有研究都认为 LK-99 具有有趣的电子特性,这些 "平坦能带 "可以通过几种不同的机制实现超导。

  • - 这种效应依赖于铜取代晶体中的铅原子,但铜必须取代非常特定的铅原子才能出现能带,这意味着很难合成高纯度的铜(论文 1)。
  • - 材料中的传导路径可能是一维的,这意味着它们在所有方向上都不相等,这可能就是为什么它不是一个完美的磁悬浮器,而是一个半悬浮器。此外,其他金属(如金)也能使 LK-99 发挥更好的作用(论文 2
  • - TK-99 在保持其超导特性的同时,似乎对晶体中的无序性或随机性更为稳定。而且,铜和氧电子轨道的重叠似乎可以解释为什么在环境压力下会出现这种情况(论文 3)。
  • - 最引人注目的结果出自最杰出的作者之手:在没有超导性的情况下出现二磁性似乎不太可能(论文 4)。

以下是支持这一观点的深入技术研究:

  •  h=20:"成功的科学家",例如正教授
  • h=40:"杰出科学家",如获得 APS 奖学金
  • h=60:"真正杰出的科学家",如国家科学院院士

第 1 篇论文 - 劳伦斯伯克利国家实验室
辛妮-格里菲斯(h 指数 20)
https://arxiv.org/abs/2307.16892
LBNLresearch
科学家Sinéad Griffin 发表了第一份关于 LK-99 的模拟研究报告。她的研究支持了最初的韩国团队(LKK)提出的机制,即铜原子取代晶体结构中的铅原子,从而给晶体带来扭曲或应变。

LKK 从这种应变中测出了 0.5% 的体积收缩,而这种收缩是Sinéad Griffin的模拟也证实了这一点,但更有趣的是,这种形状的变化使电子可进入材料的位置发生了有趣的变化。这些变化被称为 "能带",通常是锯齿状的,在能量 "海平面 "以下像山脉一样上下起伏。

然而,当这些能带保持相当平坦并接近海平面(又称 "费米能")时,人们就会认为它具有超导性、绝缘性等有趣的特性。

值得注意的是,这些能带只有在一个特定位置接收到铜替代原子时才会形成,而且是最不可能的位置。这表明合成这种材料可能很困难,产量或纯度都很低。

第 2 篇论文 - 沈阳国家实验室
https://arxiv.org/abs/2307.16040
Lai, Li, et al, and Xing-Qiu Chen (h-index: 47)

这些作者发现了与Sinéad Griffin的结果类似,表明铜在铅磷灰石中引入了体积收缩,并在费米级附近产生了标志性的 "扁平能带",这被认为可能产生超导效应。

他们注意到,材料中可用的传导路径似乎是一维的,这意味着它们并不是在所有方向上都同样延伸。这或许可以解释不完美的迈斯纳效应,即材料并非完美悬浮,而只是部分悬浮。

最有趣的是,他们尝试模拟银和金等类似大小的原子来替代铜原子,结果发现这些原子在费米面保持了平坦的能带。除了铜之外,其他元素也可能改善类似 LK-99 材料的性能。

第 3 篇论文 - 科罗拉多大学,博尔德
https://arxiv.org/abs/2308.00698
Kurleto et al, Daniel S Dessau (h-index: 49)

在费米面也发现了相同的平坦能带结构。更有趣的是,这些作者模拟了在晶格中引入无序的影响,并发现了一个有趣的结果:TK-99 中的能带即使在轻微无序(即并非完美的 "理想晶体")的情况下也保持平坦。

他们认为,这有助于解释 TK-99 为何能在如此高的温度下保持超导性。此外,他们还提出了一种超导性依赖于电子能级的重叠波函数或分布的解释,即电子之间只是轻微重叠,从而产生了平坦的能带。  

他们还声称,最重要的考虑因素是铜和氧电子轨道之间的重叠,并指出氧铜配对可以解释为什么 TK-99 可以在比以前的 RTS 材料(氢化物)更低的压力下进行超导。(以前基于氢化物的 RTS 材料在室温下可以超导,但只有在数百万个大气压下才能超导)。

第 4 篇论文 - 西北大学和维也纳工业大学
https://arxiv.org/abs/2308.00676
Liang Si 和 Karsten Held (h-index: 67)

这些作者发现了与前两项研究相同的结果--由于铜原子取代了铅,费米面周围的能带变得平坦。超导的两种不同方法是电子之间的耦合,即 "电子-电子",或电子与晶格振动之间的耦合,即 "电子-声子"。这些作者发现,鉴于所形成的结构,这两种机制都是可能的。

他们的研究结果与所有其他论文的一般结论非常一致,但他们还声称,没有超导性的二磁现象与他们的研究结果不符。

这将对早期的合成尝试产生巨大影响,因为这些尝试显示了二磁性,但尚未获得零电阻的电学测量结果。

总结
这些研究的所有作者都指出,他们的模拟结果并不能预测或断定 TK-99 就是材料科学的圣杯--室温常压超导体。

总之,它们描绘了一幅有趣而令人信服的图景--至少,TK-99 是一种非常有趣的材料,它为研究有可能在室温和环境压力下工作的超导体提出了新的思路。

下面是当前小结:
这种材料很难合成,因为不太可能在正确的位置得到铜,因此产量很低。

不过,可以分离出具有双磁性的单个薄片或晶粒,但这些晶粒非常小。
这些微小晶粒的内部是一维 "超导 "通道,可产生部分磁通引脚/悬浮,但由于这些通道无法使电流流向任何方向,因此引脚并不完美。

超导能带对轻微的无序有很强的适应能力,而且其取向使其在不需要很高温度的情况下也能很好地工作。

悬浮的薄片不仅仅是二磁体,但是,一维传导路径可能会使电阻测量变得困难(即各向异性电阻?)