电子超导技术应用论文刚刚，常温常压超导首被证明理论可行：美顶尖实验室论文出炉|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

刚刚，常温常压超导首被证明理论可行：美顶尖实验室论文出炉

机器之心报道

机器之心编辑部

超算掐指一算，感觉超导有戏。

就在全世界的科学家们争相做实验的同时，有人为最近韩国科研团队「常温常压超导」研究提供了理论方面的支持。

几个小时前，美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）在 arXiv 上提交了一篇论文，其结果支持 LK-99 作为室温环境压力超导体 。

目前该论文已经在 Twitter 上引起了广泛的关注与讨论。

有人第一时间看过论文表示：这是一个重大发现，研究提交的速度极快，但其中思考又足够缜密。

在该研究中，LBNL 纳米结构材料理论研究员 Sinéad Griffin 使用美国能源部的计算能力进行模拟，称已经为铜掺杂铅磷灰石的超导性找到了理论基础，费米能级的孤立平带是超导晶体的标志。

通过计算机模型，我们从理论上描述了若现实世界中存在常温超导，其材料应具有什么性质。而如今吸引全球关注的 LK-99 具有这种特殊性质。

这可能也是相关研究中，第一个证实了「常温常压超导体」理论可行的。

在论文提交之后，作者第一时间发推：论文 drop 了，可以睡会儿了。

论文题目为《Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite》。

论文链接：https://arxiv.org/abs/2307.16892

方法概览

本次实验使用了 Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) 进行了所有密度泛函理论（DFT）计算，这是一个用于量子力学计算的软件包。考虑到 Cu-d 态的低定位，实验应用了 Hubbard-U 修正。实验还测试了 2 eV 到 6 eV 之间的 U 值，发现实验结果与所有计算值的结果都相似。正文中的结果是 U = 4 eV 时的结果，该值给出的晶格参数与实验结果相差 1%。

下图 1. (a) 为铅磷灰石结构，如正文所述，具有两个不等价的铅位点。O 或 OH 列位于 Pb (2) 六边形结构所定义的中心列中。Pb_10 (PO_4)_6OH_2 的计算电子定位函数。Pb (2) 周围的氧根受到孤对的排斥。

图 1。

下图 2 (a) 的铅磷灰石结构，显示了 9 个配位的 Pb (1) 位。b) Cu 取代结构显示了六配位的 Cu 和 Pb (1) 位点，具有扭曲的三棱柱配位，两种不同的键长，上下三角形之间 24 ◦ 的刚性扭转。右侧是 Cu-d 9 的晶体场图。

图 2。

下图 3 为计算出的自旋极化电子能带结构（左）和相应的态密度。图左橘黄色实线表示自旋向上能带，蓝色虚线表示自旋向下能带。图右灰色阴影表示总态密度，其中粉色显示为 Cu-d 轨迹，绿色显示为相邻的 O-p 轨迹。两张图中，费米能级均设置为 0 eV。

图 3。

值得注意的是，该研究发现一组孤立的平面带穿过费米能级，最大带宽为～130 meV (见前文图 4)：

这些理论结果表明，磷灰石结构为稳定高度局部化的 Cu-d^9 态提供了一个独特的框架，而 Cu-d^9 态在费米能级上形成了强相关的平带。Pb (2) 的立体化学活性 6s^2 孤电子的核心作用体现在手性电荷密度波的形成，以及连接多面体的结构扭曲的传播。

当 Cu 在 Pb (1) 位点上被取代时，结果是一连串的结构变化，包括晶格参数减少、配位变化和多面体倾斜的改变，进而导致 Cu 周围出现局部 Jahn-Teller 扭曲三棱柱。最终形成了一组平坦不正常、半填充的孤立 d_yz/d_xz 带。

写在最后

此前，人们对于高温超导的可信度持续存疑，多个国家的实验室纷纷表示复现失败。近日，北航与中科院沈阳材料科学国家实验室有关复现 LK-99 的论文中均表示结果不理想。韩国团队则在 arXiv 上重新上传了自己的论文。

而最新的消息，重新给了我们以希望。

至少提交论文的这个伯克利实验室，不是家普通的机构。

劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL），简称伯克利实验室，是一家由加利福尼亚大学系统为美国能源部（DOE）运营的多学科研究机构。其主要的研究范围包括基础能源科学、生物和环境系统科学、先进科学计算、物质基本属性、未来加速器、可持续发展的能源技术等。

从 1950 年代至今，伯克利实验室一直是国际物理研究中心之一，共有 12 名与伯克利实验室相关的研究人员获得了诺贝尔奖。

新研究的唯一作者 Sinéad Griffin，现任 LBNL 的纳米结构材料理论研究员，她于 2014 年在苏黎世联邦理工学院获得博士学位。

她的研究方向主要在于结合分析和计算方法来理解、操纵和设计量子材料的功能特性，包括磁性、多铁性和拓扑顺序，应用范围从量子信息科学到下一代微电子学。此外，她特别关注于凝聚态科学和高能物理学之间的交叉部分。

随着人们对于 LK-99 等材料的认识逐步清晰，我们或许可以更快找到验证室温超导物质的方法。

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

刷屏的“室温超导”到底是个啥？离造福人类还有多远？

这几天，在室温条件下实现超导的消息引发全球关注和热议。事情的起源是，3月8日，《自然》杂志刊登了美国罗彻斯特大学迪亚斯团队的一篇论文，讲的是该团队合成了一种“镥－氢－氮”的三元化合物，能在近常压和室温条件下实现超导。2天的时间里，围绕这一成果的消息和解读在各大媒体和社交平台实现刷屏式“讨论”。

迪亚斯报告现场（图源网络）

图片来源：罗彻斯特大学官网

什么是超导？

超导是导体在某一温度下，电阻为零的状态。1911年，荷兰物理学家昂内斯发现，当温度降低至约-268℃时，汞的电阻降为了0。超导的大门由此被打开。汞成为人类发现的第一个超导体。

1933年，德国物理学家迈斯纳在对进入超导态的锡或铅金属球做磁场分布测量时发现，当材料进入超导态后，其内部的磁场会迅速被排出体外，磁场只在超导体外部存在，超导体展现出完全抗磁性。这就意味着，除了零电阻的特性，超导体还有完全抗磁性的特征。

此后100多年的时间里，数以千计的超导材料不断被发现，包括单质金属、合金、过渡金属硫族化物/磷族化物等。但这些材料实现超导的前提条件是极冷的温度或超高压力，这就意味着这些实验材料无法用于长期、常规的应用。所以，寻找近环境条件下（室温、常压）的超导材料一直是超导领域的梦想。

超导有哪些应用？

尽管超导材料有成千上万种，但真正实用化的超导材料并不多，主要分为低温超导、高温超导。

早期，超导体被广泛使用在强磁体、超导量子计算机、高灵敏探测器等诸多重要领域。如今，超导已经走进我们的生活，如高温超导滤波器已被应用于手机和卫星通讯，并明显改善了通信质量；超导量子干涉器件（SQUID）装备在医疗设备上使用，则加强了对人体心脑探测检查的精确度和灵敏度；世界上首个超导示范变电站也已在我国投入电网使用……

不仅如此，超导技术的应用范围十分广阔，在输电、电机、交通运输、航天、微电子、电子计算机、通信、核物理、新能源、生物工程、医疗以及军事装备等领域，都已展现出灿烂夺目的前景。

学界怎么看？

中科院物理所研究员中科院物理所研究员罗会仟撰文表示，对物理学家而言，室温是有明确定义的，即300K，约相当于27℃。该论文的关键结果是碳-硫-氢（C-S-H）三元体系在267GPa左右可以实现288K左右的超导电性，对应温度为15℃。超导材料的Tc(临界温度)，被首次突破到0℃以上，尽管距离室温300K还有一步之遥，论文的题目已经大大方方用了“室温超导”字样。

上海市高温超导重点实验室主任、上海大学教授蔡传兵认为，迪亚斯这次的研究成果有两个亮点，第一是把原来所需的极端高压267GPa变成了一个相对低的压力1GPa。第二个亮点是，这次迪亚斯采用了一个新的元素组合，引入了稀土金属——镥元素（Lu，Lutetium），合成了三元氢化物（N-Lu-H），和他以前采用的碳硫氢化物不同。这次迪亚斯展示出的研究成果有一定可靠性，但室温超导所需的1GPa压力仍属于高压范畴，距离实际应用仍非常遥远。

上海交大教授洪智勇认为，迪亚斯教授最新的实验结果，即便数据验证为真实的，也不可能做成实用化导线。“虽然最新的实验把超高压强从200多万个大气压降到了1万个大气压，但在地表大范围、长距离地实现高温超导（-196℃以上），比实现1万倍大气压更容易、更便宜。”

中科院物理所在微信公众号文章中表示，从文章来看，这项工作无疑是突破性的，相关证据也很充足，如果能重复出来，搞不好未来能发诺奖。但物理学的研究终究不是一家之言，任何科学研究都应该经得起验证，这个也不例外，这项工作势必要经过行业内各个研究组的重复，如果经过多次重复之后，确定该结果的正确性，那将是划时代的工作。我们今年诺奖预测也就有底气了。

南京大学物理学教授刘俊明表示，目前，高压下超导温度提高的物理图像是很清楚的，因为BCS理论就在那里。只要其他课题组能够重复，就是巨大成果。这篇文章去年4月份就送审《自然》了，能够发表出来，说明作者、编辑和审稿人都有一定的信心。毕竟，Dias博士已经吃过一次亏，这一次不应该还是故态重来。但曾经质疑过Ranga Dias团队成果的Hirsch教授，也是国际知名的氢化物超导电性专家。他的质疑应该是定量意义上的，似乎也有可信度。且看这一次Dias和Hirsch谁对谁错。无论如何，这一事件应该会给物理学史添上不错的一笔，一定意义上呈现了自然科学的魅力所在。

伊利诺伊大学芝加哥分校的材料化学家罗素·赫姆利说：“这是一项出色的研究。就超导性的证据而言，所提供的数据是非常有力的。”

国内超导研究进展如何？

罗会仟在接受媒体采访时表示，目前国内超导领域的研究，其中重要的一方面是对于新超导材料的探索，最早可追溯至1960-1970年代。

1980年代，在瑞士科学家发现铜氧化物高温超导现象后，在中科院物理所赵忠贤老师为代表的团队带领下，很快发现了90 K（-183摄氏度）以上铜氧化物高温超导现象。钇钡铜氧化合物的转变温度达到了92 K，打破了液氮77 K（-196摄氏度）的温度堡垒。

2008年3月，中科大陈仙辉研究组和中科院物理所王楠林研究组同时在铁基中观测到了43K和41K的超导转变温度，突破了麦克米兰极限，证明了铁基超导体是高温超导体。紧接着，中国科学家团队不仅率先使转变温度突破了50K，并发现了一系列50K以上的超导体，也创造了55K的铁基超导体转变温度纪录，被国际物理学界公认为第二个高温超导家族。

罗会仟表示，中国在超导的一些研究方向上，目前已经做到了世界领先水平。赵忠贤院士带领团队将铁基超导体的临界温度提高到了55K，推动中国高温超导研究走在世界最前沿。（光明网记者宋雅娟，综合整理自中科院物理所、腾讯新闻、界面新闻等）

来源：光明网