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韩国造出世界首个室温超导体?127度实现超导,复现即锁定诺奖

新智元 新智元 2023-07-26



  新智元报道  

编辑:编辑部
【新智元导读】室温超导圣杯又被摘下了?韩国的物理学家声称,发现世界首个室温常压超导体——LK-99。这次能预定诺奖吗?

室温常压超导,又被人突破了?

这次,是韩国科学家。

他们声称发现世界首个室温常压超导体——改性铅磷灰石晶体结构。

韩国物理学家在论文中表示——

所有证据都可以证明,LK-99是世界首个室温常压超导体。

LK-99的诞生意味着室温超导领域的重大突破,开启了一个全新的历史时代。

消息一出,瞬间引爆互联网,分分钟登顶Hacker News。

假如这次发现为真,那么我们就能实现无损的能量传输,全球的能耗问题将从源头上解决,人类能利用电能获得巨大的力量。

如果再从根上掌握了可控核聚变,我们甚至可以进行远距离的太空旅行。

而掌握这项技术的人,无疑将引领世界,简直就是科幻走进现实。

论文地址:https://arxiv.org/abs/2307.12008

不过,这一次,是真的吗?

网友们炸了:能复现不?

甭管论文看没看完,网友们是先炸为敬。

「如果是真的,那就是核弹级消息。」

「这可太疯狂了。我对于这些科学研究通常都持怀疑态度,但这一次,似乎是可信的。

接下来,就等着看实验结果能否复现了……」

「我无法抑制自己的兴奋。这感觉就像2020年1月,一场巨大的浪潮即将到来,但还没有任何人意识到。活着真是太好了!赶快读读论文。」

「大家请注意,市场目前对这篇论文持怀疑态度——即使概率能高达六分之一,都会让我惊讶。」

「如果真的能实现室温超导电子设备,太赫兹处理器速度的前景就太诱人了!」

「如果能证明这次是真的,那可真是重磅消息。

但如果要等到应用,估计不会很快。无数例子证明,科学研究的实现会滞后20年。」

「那些80年代中期的高温超导体现在都已大规模生产,用于核磁共振和聚变初创公司。

我不认为所有的超导体突破都需要40年,理由很充分:行业引导、市场发现等都已完成。」

甭管说得多么玄乎,还是让我们仔细读读论文。

世界首个室温常压超导体?


韩国科学家表示,他们在全世界首次用化学方法合成了室温常压超导体——LK99(改性铅-磷灰石)。

尽管人类很早就知晓物质的性质源于它的结构,但迄今为止,我们发现的影响超导体产生超导性的两个主要因素,是温度和压力。

它们通过引起应力使材料中的结构发生微小的变形和应变,从而为超导创造电子状态。

而LK-99的超导性是由微小的体积收缩(0.48%)导致的结构形变引起,不是由温度和压力等外部因素引起的。

通过临界温度(Tc)、零电阻率、临界电流(Ic)、临界磁场(Hc)和迈斯纳效应,都可以证明LK-99的超导性。

图1(a) 显示了不同温度(298K-398K)下的测量电压与施加电流

图1(b) 为LK-99薄膜的零电阻率

图1(c) 显示了外加电流对外加磁场(H)的依赖关系

在图1(e)和(f)中,显示了在400K和3000Oe以上的情况下,临界电流值仍未为零(7 mA)

从以上实验数据可以判断,LK-99的临界温度在400K以上。

图2:作者通过X射线衍射分析(XRD),与COD数据库进行匹配,确定了LK-99的晶体结构为多晶体(Apatite: 磷灰石)

LK-99为灰黑色,与典型超导体的颜色相同。

它具有三维网络结构(如下图),是一个被绝缘四面体结构包围的圆柱形柱。

在如下侧视图中,间隔排列的这些圆柱形柱由非对称的六面体组成,包含两个对置的三角形。

研究者发现,由于LK-99中离子的替换,导致体积减少了0.48%,因为离子(87 pm)比离子(133pm)小。

应力发生在网络部分,然后就导致了超导性的出现。

而LK-99的热容曲线(右下黑色曲线)不遵循Debye模型,证实了LK-99具有被取代而扭曲的结构。

同时,LK-99的EPR信号图(如下),证实了Pb(1)和磷酸盐界面上存在量子阱(SQW)。

而Pb(1)和磷酸氧之间通过结构畸变和应变产生了SQW,其结构如下图所示。

与此前研究不同,LK-99的超导性的表达,与SQW的形成密切相关。

Josephson等发现了超导体之间存在隧穿效应,这意味着电子通过隧穿在量子阱(SQW)之间移动时,电阻将为零。

考虑到LK-99中SQW间隔预计在,此时SQW之间的隧穿效应很可能发生,LK-99也就获得了超导性。

总之,LK-99之所以在室温和环境压力下表现出超导性,就是因为LK-99中,离子的置换所产生的应力没有得到缓解,同时又被适当地传递到了柱-柱界面上。

这种适当的变形,在界面中产生了SQW,而不会产生松弛。

在论文最后,研究者表示:所有证据都可以证明,LK-99是世界首个室温常压超导体。

而LK-99的应用场景十分广阔,包括磁铁、电机、电缆、悬浮列车、电力电缆,量子计算机的量子比特和THz天线等。

总之,LK-99的诞生意味着室温超导领域的重大突破,可以说开启了一个全新的历史时代。

上一个已被打脸

今年3月,物理学界就曾掀起一场轩然大波。来自美国罗切斯特大学的物理学家Ranga Dias声称自己在21℃条件下实现了室温超导——由氢(99%)、氮(1%)和纯镥制成的材料LNH在21°C、1GPa条件下就实现了超导状态。

如果他所述属实,无疑是在该领域取得了颠覆性突破,相当于摘下了物理学的一座圣杯。

这样一颗惊雷在拉斯维加斯举办的物理学会上炸响,当场震惊了所有大咖。

不过,很可惜的是,Ranga Dias的结果此后并未被任何一个实验室成功复现。

Dias绘制的晶胞图,白色原子是氢,绿色的是镥,粉色的是不同位点的氢原子

中科院物理所也发表论文「打假」,表示没复现成功:二元镥氢化合物(Lu4H23),在71K(-202°C)、218GPa条件下实现超导转变,这一结果既不「室温」,也不「近常压」。

论文地址:https://arxiv.org/abs/2303.05117

在更早的时候,第一个已知的超导体只能保持在高达约25K的超导状态。

在20世纪80年代末,研究人员发现了第一个所谓的高温超导体,其超导率高达90 K——液氮可以达到这种温度。

科学家认为他们正处于室温超导体革命的风口浪尖上。

1911年发现了第一个超导体Mercury

但是,到目前为止,这些早期实验中使用的高温超导体(主要是氧化铜)都没有显示其超导性保持在约160K以上,低于南极洲记录的最冷温度。

还有另一条预测的高温超导路径。模型表明,在巨大的压力下,氢可以转化为金属,在数百开尔文时可以超导。

包括Dias和他的哈佛大学博士后顾问Isaac Silvera在内的几组研究人员声称在实验室中制造了金属氢,但该州存在的确凿证据仍然难以捉摸。

研究人员更幸运地创造了在较低压力下凝固的金属氢合金。

2009年,研究人员声称发现了第53种元素是超导体。在发现结果背后的数据受到操纵后,这一说法后来被撤销。

2015年,来自德国的一个团队报告了硫化氢(H(3)S)的超导性,为203 K和155 GPa。四年后,有报告称氢化镧(LaH(10))在250 K和170 GPa实现超导。第一个室温超导体似乎触手可及。

2020年10月14日,Dias和他的同事在Nature上宣布,他们在含氢材料碳氢化合物(CSH)中发现了超导性,其含量为287 K和267 GPa——第一个室温超导体。

不过,Dias随后就被打假,并以「黑历史」而著名。

所以,这次韩国物理学家的结果,能被成功复现吗?

参考资料:
https://arxiv.org/abs/2307.12008




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