专访 | 北大物理学院量子材料科学中心研究团队发表论文回应“全球首个室温超导材料”

编者按

近期，韩国的一个研究团队在论文中声称，其可能合成了世界上第一个室温常压超导体——LK-99。该论文一问世，便引起了学界和公众的广泛关注，更引得全球各地的研究团队纷纷在实验室中尝试复现韩国团队的发现。2023年8月6日，北京大学物理学院博士研究生郭凯臻、北京大学量子材料科学中心教授李源和贾爽在arXiv上提交了名为《类LK-99合成样品的铁磁半悬浮》（Ferromagnetic Half Levitation of LK-99-like Synthetic Samples）的论文，该论文通过严谨的实验数据指出，现有的实验证据并不能支持韩国研究团队合成的类LK-99材料在室温下具有超导性，并为样品在永磁体表面出现的“半悬浮”现象提供了新解释。目前该论文已被《中国科学：物理学 力学 天文学》接收。北大团队是怎样进行实验和分析的？他们的发现说明了什么？中国对超导材料的研究又到了什么样的阶段？为获得这些问题的答案，北大物理学院特别采访了此论文的作者郭凯臻同学和贾爽教授。

Part.1

北大团队发现了什么？

今年7月22日，韩国的一个科学家团队在发表论文中表示，其制备的一种名为“改性铅磷灰石晶体结构（LK-99，一种掺杂铜的铅磷灰石）”的材料可能具有室温超导性。众所周知，目前人们可得的超导体均需在较为严格的低温或高压条件下才具有超导特性，因此室温常压超导材料可能具有极其重大的科学意义和应用价值，这也是该论文引起广泛关注的原因。韩国研究团队的成员表示，支持全世界的研究者对其发现进行重复实验。郭凯臻同学和李源老师，贾爽老师所进行的实验，就是先按原论文制备出LK-99材料，并检验其是否具有一些研究者所提出的性质。

检验超导体的方法并不复杂，主要是着眼于超导体的两个基本性质。首先是超导体的迈斯纳效应。迈斯纳效应于1933年时被瓦尔特·迈斯纳与罗伯特·奥克森菲尔德在量度超导锡及铅样品外的磁场时发现，是超导体从一般状态相变至超导态的过程中对磁场的排斥现象。简单来说，迈斯纳效应是抗磁性的一种。日常生活中很多常见物质都具有一定的抗磁性，但很微弱；超导的抗磁性则是宏观的抗磁性，能把整个体积里的磁场全排出去，因而是极其罕见的。检验超导体的另一个标准是零电阻。由于实验误差影响，电阻的测量值不可能严格为零，因此要观察的是随温度降低，材料电阻是否表现出相变特征，即在某一临界温度处，材料电阻发生从非零到接近零的跃变。当然，研究也要确定这种接近于零电阻的现象是材料本身造成的，不是测量错误等其他因素导致。

北大团队实验的结果是未能从制备的材料中复现出零电阻，这与北京航空航天大学、印度国家物理实验室的实验结果一致。至于迈斯纳效应的验证，北大团队的实验观察到了极小样品的半悬浮现象，但认为更有可能是铁磁性造成的，不能说明材料具有抗磁性。先前一些研究团队猜测半悬浮是由很强的抗磁性造成的，但北大团队的实验从两方面说明这种可能很小。一方面，超导体的抗磁性应该很强，在实验条件下，理论上应该能在磁铁上飘起来，但新材料只是在磁铁上“立起来”，并没有完全脱开磁铁。对此，有一些意见认为，LK-99可能是因为密度太大才呈现出实验中的状态，就像金属铋自身虽有很强的抗磁性，但由于密度太大无法在磁铁上悬浮。另一方面，北大团队进行的实验还提供了将样品的半悬浮现象归功于铁磁性的三点证据。第一，团队利用超导量子干涉磁力计（SQUID）测量了半悬浮样品的磁性特征，发现其表现出明显的软铁磁性。第二，团队通过受力分析合理解释了样品在铁磁性和重力共同影响下的半悬浮现象。第三，团队指出，各地的实验用较大的新材料样品都未复现出半悬浮现象，北大的实验也仅仅是用不到一毫克的样品才复现了所谓“半悬浮”的现象，这说明半悬浮性很有可能并不是来自材料的整体结构。

总之，北大团队的实验在零电阻和抗磁性两个方面都未能得到有利于证明“新材料是超导体”的实验证据。新材料在特定条件下“半悬浮”的现象固然令人对材料的特殊性浮想联翩，却没有客观的仪器测量数据来佐证超导性。北大团队推测，新材料在永磁体表面出现的半悬浮，很有可能归功于其中铁磁性的杂质，但该材料是一种复杂的混合物，原论文也没有交代制备中的除杂过程，要得到进一步的结论尚需更多研究。

郭凯臻同学做实验中

Part.2

如何看待围绕室温超导体的实验热？

北大团队何以能在较短的时间内回应有关“室温超导”的猜想？此次实验主要由郭凯臻同学完成，郭凯臻同学也是实验的最初发起者，他告诉我们，自己在掀起学界波澜的原论文被挂到arXiv网站的当天就关注到了这篇论文，并立刻着手准备实验。从LK-99的元素构成来看，它不像是常规被认为可能具有超导性的材料，如果实验能验证其真的具有室温超导性，将是一个极为重大的发现，这让郭凯臻同学感到更加兴奋。对于该种材料的制备困难主要来源于原料——其中的铜和磷相对容易获得，但铅氧化物和硫酸盐对学生却没有那么易得。调研之后，郭凯臻同学发现直接从试剂平台购买需要花费很多天，他当机立断，拿手头的原料从中国科学院物理所同学的手中交换到了铅氧化物和硫酸盐样本，靠着这些原料及时完成了实验。有了样品，测量不算太难，郭凯臻同学很快获得了结果，并完成了论文撰写。

贾爽老师最初看到韩国团队的论文时第一感受是惊讶，但他对新材料是室温超导体并不报有乐观的期待，因为这属于极小概率的事件，他形象地比喻“就像听到有人因为吃了什么东西活到了150岁，第一反应是年龄登记出了问题”。不过，他仍然大力支持郭凯臻同学的实验，因为即使实验无法证实新材料是超导体，材料在磁场中“半悬浮”的现象也可能导向具有意义的其他发现。

贾爽老师认为实验仍是检验材料是否真的具有超导性最关键的一步，一些团队在论文爆火后进行的理论推演、计算机模拟都不能代替真正的实验测量。由于当前学界对于高温超导的机理尚未形成共识，在目前的科学研究水平下，仅凭理论对超导体的发现做出预言是比较困难的。贾爽老师认为，探索新的超导材料是一个世界性的难题，这需要物理、化学以及材料科学等多个学科的科学家的共同努力。

贾爽老师和郭凯臻同学接受小记者采访

Part.3

量子材料科学研究的展望

此次发表论文的研究团队隶属于北京大学物理学院量子材料科学中心。不管人类是否有运气在短时间内发现室温超导体材料，量子材料科学已经成为当今重要的科研领域，它的进展对促进人类的生产力有着深远的意义，这也是室温超导体的话题引起社会广泛关注的原因。

在对量子材料研究的前景抱有憧憬的同时，也需要保持科学求真的态度。贾爽老师和郭凯臻同学坦言，近期许多媒体报道都和科学研究的真相有一定距离，报道的标题夺人眼球，但有失严谨。比如在自媒体最近关于北大团队发现的报告中，直接使用了“LK-99只是铁磁材料，不是超导体，北大等更多研究论文公布”的标题。但实际上，团队提交的论文中使用了“LK-99-like”一词指称样品，这是为了表明北大发表的实验结果仅仅是基于北大所制备的样品，可能和原论文中的样品成分有差别。相似地，媒体报道美国团队通过计算机模拟“证实”了新材料具有室温超导性，这一说法也是极不准确的：要证明新材料完全不可能具有超导性很难，同样地，要真的证实其具有超导性，也不可能仅凭计算模拟。此外，虽然将实验过程通过视频直播给公众会有很强的视觉冲击力，但是很多肉眼观察的现象不能作为严格的实验证据，真正的发现必须以精确的仪器测量数据为标准。

相比媒体，学术圈对于热点的反应还是较慢，因为科学研究的过程充满了尝试、推测和偶然。要将前沿的物理发现转变为实际应用，往往需要数十年的时间。如铜氧化物在液氮中具有超导性在发现之初就引起了极大的关注，但其真正地广泛应用于实际又需要迈过一个个技术关口。贾爽老师认为，此次中国各高校和研究院所对于室温超导的实验之反应这么快，反映了我国的科研力量日益壮大，科研人员研究热情高涨。不过，科学发现还是需要耐心的事。北大团队下一步的研究目标是确定材料中的铁磁物质，贾爽老师对开展进一步研究还是有比较大的期待——如果新材料的铁磁性真的是其中的铜元素造成的，而相关物质又能被大量制备，这对凝聚态物理和材料科学也有一定的意义。

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采访及文稿：张正涛、唐维恒、侯翰飞

策划：吴桃李

摄影：吕律

编辑：单楠茜

审核：曹庆宏