剛剛，常溫常壓超導首被證明理論可行：美頂尖實驗室論文出爐

機器之心報道

(資料圖)

機器之心編輯部

超算掐指一算，感覺超導有戲。

就在全世界的科學家們爭相做實驗的同時，有人為最近韓國科研團隊「常溫常壓超導」研究提供了理論方面的支持。

幾個小時前，美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）在 arXiv 上提交了一篇論文，其結果支持 LK-99 作為室溫環(huán)境壓力超導體。

目前該論文已經(jīng)在 Twitter 上引起了廣泛的關注與討論。

有人第一時間看過論文表示：這是一個重大發(fā)現(xiàn)，研究提交的速度極快，但其中思考又足夠縝密。

在該研究中，LBNL 納米結構材料理論研究員 Sinéad Griffin 使用美國能源部的計算能力進行模擬，稱已經(jīng)為銅摻雜鉛磷灰石的超導性找到了理論基礎，費米能級的孤立平帶是超導晶體的標志。

通過計算機模型，我們從理論上描述了若現(xiàn)實世界中存在常溫超導，其材料應具有什么性質(zhì)。而如今吸引全球關注的 LK-99 具有這種特殊性質(zhì)。

這可能也是相關研究中，第一個證實了「常溫常壓超導體」理論可行的。

在論文提交之后，作者第一時間發(fā)推：論文 drop 了，可以睡會兒了。

論文題目為《Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite》。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2307.16892

方法概覽

本次實驗使用了 Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) 進行了所有密度泛函理論（DFT）計算，這是一個用于量子力學計算的軟件包。考慮到 Cu-d 態(tài)的低定位，實驗應用了 Hubbard-U 修正。實驗還測試了 2 eV 到 6 eV 之間的 U 值，發(fā)現(xiàn)實驗結果與所有計算值的結果都相似。正文中的結果是 U = 4 eV 時的結果，該值給出的晶格參數(shù)與實驗結果相差 1%。

下圖 1. (a) 為鉛磷灰石結構，如正文所述，具有兩個不等價的鉛位點。O 或 OH 列位于 Pb (2) 六邊形結構所定義的中心列中。Pb_10 (PO_4)_6OH_2 的計算電子定位函數(shù)。Pb (2) 周圍的氧根受到孤對的排斥。

圖 1。

下圖 2 (a) 的鉛磷灰石結構，顯示了 9 個配位的 Pb (1) 位。b) Cu 取代結構顯示了六配位的 Cu 和 Pb (1) 位點，具有扭曲的三棱柱配位，兩種不同的鍵長，上下三角形之間 24 ? 的剛性扭轉(zhuǎn)。右側(cè)是 Cu-d 9 的晶體場圖。

圖 2。

下圖 3 為計算出的自旋極化電子能帶結構（左）和相應的態(tài)密度。圖左橘黃色實線表示自旋向上能帶，藍色虛線表示自旋向下能帶。圖右灰色陰影表示總態(tài)密度，其中粉色顯示為 Cu-d 軌跡，綠色顯示為相鄰的 O-p 軌跡。兩張圖中，費米能級均設置為 0 eV。

圖 3。

值得注意的是，該研究發(fā)現(xiàn)一組孤立的平面帶穿過費米能級，最大帶寬為～130 meV (見前文圖 4)：

這些理論結果表明，磷灰石結構為穩(wěn)定高度局部化的 Cu-d^9 態(tài)提供了一個獨特的框架，而 Cu-d^9 態(tài)在費米能級上形成了強相關的平帶。Pb (2) 的立體化學活性 6s^2 孤電子的核心作用體現(xiàn)在手性電荷密度波的形成，以及連接多面體的結構扭曲的傳播。

當 Cu 在 Pb (1) 位點上被取代時，結果是一連串的結構變化，包括晶格參數(shù)減少、配位變化和多面體傾斜的改變，進而導致 Cu 周圍出現(xiàn)局部 Jahn-Teller 扭曲三棱柱。最終形成了一組平坦不正常、半填充的孤立 d_yz/d_xz 帶。

此前，人們對于高溫超導的可信度持續(xù)存疑，多個國家的實驗室紛紛表示復現(xiàn)失敗。近日，北航與中科院沈陽材料科學國家實驗室有關復現(xiàn) LK-99 的論文中均表示結果不理想。韓國團隊則在 arXiv 上重新上傳了自己的論文。

而最新的消息，重新給了我們以希望。

至少提交論文的這個伯克利實驗室，不是家普通的機構。

勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL），簡稱伯克利實驗室，是一家由加利福尼亞大學系統(tǒng)為美國能源部（DOE）運營的多學科研究機構。其主要的研究范圍包括基礎能源科學、生物和環(huán)境系統(tǒng)科學、先進科學計算、物質(zhì)基本屬性、未來加速器、可持續(xù)發(fā)展的能源技術等。

從 1950 年代至今，伯克利實驗室一直是國際物理研究中心之一，共有 12 名與伯克利實驗室相關的研究人員獲得了諾貝爾獎。

新研究的唯一作者 Sinéad Griffin，現(xiàn)任 LBNL 的納米結構材料理論研究員，她于 2014 年在蘇黎世聯(lián)邦理工學院獲得博士學位。

她的研究方向主要在于結合分析和計算方法來理解、操縱和設計量子材料的功能特性，包括磁性、多鐵性和拓撲順序，應用范圍從量子信息科學到下一代微電子學。此外，她特別關注于凝聚態(tài)科學和高能物理學之間的交叉部分。

隨著人們對于 LK-99 等材料的認識逐步清晰，我們或許可以更快找到驗證室溫超導物質(zhì)的方法。

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

關鍵詞：