剛剛，常溫常壓超導(dǎo)首被證明理論可行：美頂尖實(shí)驗(yàn)室論文出爐

機(jī)器之心報(bào)道

(資料圖)

機(jī)器之心編輯部

超算掐指一算，感覺(jué)超導(dǎo)有戲。

就在全世界的科學(xué)家們爭(zhēng)相做實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，有人為最近韓國(guó)科研團(tuán)隊(duì)「常溫常壓超導(dǎo)」研究提供了理論方面的支持。

幾個(gè)小時(shí)前，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LBNL）在 arXiv 上提交了一篇論文，其結(jié)果支持 LK-99 作為室溫環(huán)境壓力超導(dǎo)體。

目前該論文已經(jīng)在 Twitter 上引起了廣泛的關(guān)注與討論。

有人第一時(shí)間看過(guò)論文表示：這是一個(gè)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(jié)構(gòu)材料理論研究員 Sinéad Griffin 使用美國(guó)能源部的計(jì)算能力進(jìn)行模擬，稱已經(jīng)為銅摻雜鉛磷灰石的超導(dǎo)性找到了理論基礎(chǔ)，費(fèi)米能級(jí)的孤立平帶是超導(dǎo)晶體的標(biāo)志。

通過(guò)計(jì)算機(jī)模型，我們從理論上描述了若現(xiàn)實(shí)世界中存在常溫超導(dǎo)，其材料應(yīng)具有什么性質(zhì)。而如今吸引全球關(guān)注的 LK-99 具有這種特殊性質(zhì)。

這可能也是相關(guān)研究中，第一個(gè)證實(shí)了「常溫常壓超導(dǎo)體」理論可行的。

在論文提交之后，作者第一時(shí)間發(fā)推：論文 drop 了，可以睡會(huì)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(shí)驗(yàn)使用了 Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) 進(jìn)行了所有密度泛函理論（DFT）計(jì)算，這是一個(gè)用于量子力學(xué)計(jì)算的軟件包?？紤]到 Cu-d 態(tài)的低定位，實(shí)驗(yàn)應(yīng)用了 Hubbard-U 修正。實(shí)驗(yàn)還測(cè)試了 2 eV 到 6 eV 之間的 U 值，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與所有計(jì)算值的結(jié)果都相似。正文中的結(jié)果是 U = 4 eV 時(shí)的結(jié)果，該值給出的晶格參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差 1%。

下圖 1. (a) 為鉛磷灰石結(jié)構(gòu)，如正文所述，具有兩個(gè)不等價(jià)的鉛位點(diǎn)。O 或 OH 列位于 Pb (2) 六邊形結(jié)構(gòu)所定義的中心列中。Pb_10 (PO_4)_6OH_2 的計(jì)算電子定位函數(shù)。Pb (2) 周?chē)难醺艿焦聦?duì)的排斥。

圖 1。

下圖 2 (a) 的鉛磷灰石結(jié)構(gòu)，顯示了 9 個(gè)配位的 Pb (1) 位。b) Cu 取代結(jié)構(gòu)顯示了六配位的 Cu 和 Pb (1) 位點(diǎn)，具有扭曲的三棱柱配位，兩種不同的鍵長(zhǎng)，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(chǎng)圖。

圖 2。

下圖 3 為計(jì)算出的自旋極化電子能帶結(jié)構(gòu)（左）和相應(yīng)的態(tài)密度。圖左橘黃色實(shí)線表示自旋向上能帶，藍(lán)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(fèi)米能級(jí)均設(shè)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(guò)費(fèi)米能級(jí)，最大帶寬為～130 meV (見(jiàn)前文圖 4)：

這些理論結(jié)果表明，磷灰石結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定高度局部化的 Cu-d^9 態(tài)提供了一個(gè)獨(dú)特的框架，而 Cu-d^9 態(tài)在費(fèi)米能級(jí)上形成了強(qiáng)相關(guān)的平帶。Pb (2) 的立體化學(xué)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(jié)構(gòu)扭曲的傳播。

當(dāng) Cu 在 Pb (1) 位點(diǎn)上被取代時(shí)，結(jié)果是一連串的結(jié)構(gòu)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(jìn)而導(dǎo)致 Cu 周?chē)霈F(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(duì)于高溫超導(dǎo)的可信度持續(xù)存疑，多個(gè)國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室紛紛表示復(fù)現(xiàn)失敗。近日，北航與中科院沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室有關(guān)復(fù)現(xiàn) LK-99 的論文中均表示結(jié)果不理想。韓國(guó)團(tuán)隊(duì)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(gè)伯克利實(shí)驗(yàn)室，不是家普通的機(jī)構(gòu)。

勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL），簡(jiǎn)稱伯克利實(shí)驗(yàn)室，是一家由加利福尼亞大學(xué)系統(tǒng)為美國(guó)能源部（DOE）運(yùn)營(yíng)的多學(xué)科研究機(jī)構(gòu)。其主要的研究范圍包括基礎(chǔ)能源科學(xué)、生物和環(huán)境系統(tǒng)科學(xué)、先進(jìn)科學(xué)計(jì)算、物質(zhì)基本屬性、未來(lái)加速器、可持續(xù)發(fā)展的能源技術(shù)等。

從 1950 年代至今，伯克利實(shí)驗(yàn)室一直是國(guó)際物理研究中心之一，共有 12 名與伯克利實(shí)驗(yàn)室相關(guān)的研究人員獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

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

她的研究方向主要在于結(jié)合分析和計(jì)算方法來(lái)理解、操縱和設(shè)計(jì)量子材料的功能特性，包括磁性、多鐵性和拓?fù)漤樞颍瑧?yīng)用范圍從量子信息科學(xué)到下一代微電子學(xué)。此外，她特別關(guān)注于凝聚態(tài)科學(xué)和高能物理學(xué)之間的交叉部分。

隨著人們對(duì)于 LK-99 等材料的認(rèn)識(shí)逐步清晰，我們或許可以更快找到驗(yàn)證室溫超導(dǎo)物質(zhì)的方法。

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

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