全都結(jié)束了?LK-99只是鐵磁材料,不是超導(dǎo)體,北大等研究論文公布

機(jī)器之心報(bào)道

編輯：澤南

【資料圖】

「不幸的是，一切都結(jié)束了?！?/blockquote>

迄今為止，有關(guān)韓國(guó)室溫超導(dǎo)的復(fù)現(xiàn)研究很多呈現(xiàn)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是：觀察到常溫常壓條件下材料在永磁體磁場(chǎng)中有半懸浮現(xiàn)象。

雖然觀察表明部分樣品存在室溫邁斯納效應(yīng)，但這種懸浮只能被認(rèn)為是懸浮起來(lái)「一半」，因?yàn)椴糠謽悠啡匀慌c支撐表面接觸。事實(shí)上，超導(dǎo)體的兩個(gè)最重要的特性，即邁斯納效應(yīng)和零電阻，尚未在已知的定量測(cè)量中得到充分證明和再現(xiàn)，這增加了驗(yàn)證 LK-99 是否為真正的室溫超導(dǎo)體的不確定性。

今天，北京大學(xué)量子材料科學(xué)中心（ICQM）郭凱臻、賈爽等人提交到預(yù)印版平臺(tái) arXiv 的一篇論文認(rèn)為，其團(tuán)隊(duì)嘗試合成的 LK-99 樣品不具有超導(dǎo)性。

長(zhǎng)期跟進(jìn)室溫超導(dǎo)的 Twitter 博主 Alex Kaplan 今天上午關(guān)注到了這篇論文，認(rèn)為此次室溫超導(dǎo)的結(jié)果基本已經(jīng)落定，「根據(jù)北京大學(xué)的最新研究，LK-99 很可能只是一種鐵磁材料，這解釋了它的懸浮特性?！?/p>

同時(shí)，美國(guó)馬里蘭大學(xué)凝聚態(tài)理論中心 CMTC 也表態(tài)，「懷著極大的悲傷，我們現(xiàn)在相信游戲已經(jīng)結(jié)束了。LK-99 不是超導(dǎo)體，即使在室溫（或非常低的溫度）下也是如此。它是一種電阻非常高的劣質(zhì)材料。與事實(shí)抗?fàn)幨菦](méi)有意義的。數(shù)據(jù)說(shuō)話?！?/p>

接下來(lái)，讓我們看下論文都說(shuō)了什么。

論文：《 Ferromagnetic half levitation of LK-99-like synthetic samples 》

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2308.03110

論文詳情

在這項(xiàng)工作中，研究人員成功合成了類 LK-99 多晶樣品，并在一些小片中觀察到磁半懸浮現(xiàn)象，使用粉末 X 射線衍射和能量色散 X 射線光譜，驗(yàn)證了樣品成分與韓國(guó)團(tuán)隊(duì)工作一致。國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)人員對(duì)生長(zhǎng)的樣品進(jìn)行了磁化強(qiáng)度和電阻測(cè)量，并在無(wú)假設(shè)的情況下分析了它們的特性。

北大研究人員表示，盡管一些磁化測(cè)量表明樣品在小磁場(chǎng)中可能具有抗磁性，但這種抗磁性響應(yīng)隨著磁場(chǎng)的增加（達(dá)到對(duì)抗重力的懸浮程度）而增加尚未得到證實(shí)。應(yīng)該指出的是，抗磁性在許多絕緣體中普遍存在，并不等同于邁斯納效應(yīng)。在一些鐵磁系統(tǒng)中，當(dāng)外部磁場(chǎng)的方向與材料內(nèi)部磁化方向相反時(shí)，在很小的磁場(chǎng)下就可能檢測(cè)到看似反磁的信號(hào)。

研究人員在對(duì)不同成品進(jìn)行的磁化測(cè)量表明軟鐵磁成分無(wú)處不在，其特征是場(chǎng)相關(guān)磁化中存在小的磁滯回線。具體來(lái)說(shuō)，在 100 K 下大塊上測(cè)量的場(chǎng)相關(guān)磁化強(qiáng)度曲線（不顯示半懸浮）可以被視為鐵磁和線性抗磁行為的疊加。

然而，在確實(shí)顯示出半懸浮狀態(tài)的小而薄的樣品中，雖然仍能觀察到 10 Oe 下的小抗磁信號(hào)（與其他工作的報(bào)道一致，但抗磁響應(yīng)很快就被更高強(qiáng)度下的鐵磁響應(yīng)所淹沒(méi)?；谶@一觀察和對(duì)與小樣品相關(guān)的形狀各向異性的分析，研究人員將半懸浮歸因于樣品對(duì)強(qiáng)外部場(chǎng)的鐵磁響應(yīng)。

此外，正如之前其他研究所報(bào)告的一樣，北大試圖復(fù)現(xiàn)的樣品電阻沒(méi)有顯示出任何超導(dǎo)特征，相反能觀察到與其他報(bào)告一致的半導(dǎo)體性狀。

鑒于對(duì)鐵磁成分和半導(dǎo)體特性的觀察，該研究認(rèn)為 LK-99 中室溫超導(dǎo)性的存在仍有待嚴(yán)格驗(yàn)證。作者特別指出，對(duì)各向異性形狀樣品的半懸浮觀察應(yīng)該通過(guò)對(duì)鐵磁性的仔細(xì)審查來(lái)解釋。除了追求超導(dǎo)性之外，這種 Pb-Cu-P-O 體系中的室溫鐵磁性性質(zhì)可能值得物理學(xué)家進(jìn)一步了解。

圖 1：樣品的 X 射線衍射圖?？梢?jiàn)峰值位置與韓國(guó)研究幾乎相同。

圖片 S1：北大制成的 Pb10?xCux (PO4) 6O 生長(zhǎng)產(chǎn)物。

研究測(cè)量了非半懸浮樣品 S1 的磁化強(qiáng)度，當(dāng)外部磁場(chǎng)為 10 Oe 時(shí)磁化強(qiáng)度與溫度（M-T）的 FC 和 ZFC 曲線均顯示出正磁矩和明顯的分支。當(dāng)磁場(chǎng)增加到 10 kOe 時(shí)，F(xiàn)C 和 ZFC M-T 曲線保持正值且重合，如圖 2b 所示。

FC 和 ZFC 曲線中的分支形態(tài)通常出現(xiàn)在鐵磁材料、自旋玻璃材料和超導(dǎo)體中，自旋玻璃態(tài)在較低溫度下更為常見(jiàn)。

圖 2：樣品 S1 的磁化強(qiáng)度。

這一觀察推動(dòng)我們承認(rèn)鐵磁成分的存在。為了進(jìn)一步探索這一點(diǎn)，研究人員在 100 K 和 300 K 下進(jìn)行了場(chǎng)相關(guān)磁化強(qiáng)度測(cè)量，如圖 2c 所示。外部磁場(chǎng)從 0 增加到 70 kOe，隨后從 70 kOe 減少到 - 70 kOe，最后再次從 - 70 kOe 增加到 70 kOe。在兩種溫度下都觀察到了類似的行為。當(dāng)磁場(chǎng)從 0 增加到 1500 Oe 時(shí)，磁化強(qiáng)度隨著磁場(chǎng)的增加而增加，然后磁化強(qiáng)度隨著磁場(chǎng)的增加幾乎線性減小，甚至變成負(fù)值。

這種現(xiàn)象表明樣品 S1 中大量存在絕緣成分。仔細(xì)檢查低場(chǎng)數(shù)據(jù)后，出現(xiàn)了明顯的磁滯回線（圖 2d），進(jìn)一步證實(shí)了鐵磁相的存在。

通過(guò)嘗試簡(jiǎn)單地從測(cè)量數(shù)據(jù)中減去 M-H 的線性抗磁部分，以 100 K 為例（圖 3）。減去抗磁背景后，剩余部分表現(xiàn)出高于 20 kOe 的典型飽和度。將一些抗磁性材料與樣品 S1 進(jìn)行比較。減去的抗磁化率（～ -2 × 10^?6 emu/g）大于鉍（～ -1.6 × 10^?6 emu/g）和水（～ -10^?7 emu/g），但小于鉍 熱解碳（～ -4 × 10^?6 emu/g），表明這部分不是來(lái)自超導(dǎo)。

圖 3：樣品 S1 在 100 K 時(shí)的場(chǎng)相關(guān)磁化強(qiáng)度（黑色曲線）。

研究人員在測(cè)量顆粒樣品 S2 的磁化強(qiáng)度時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng) Nd2Fe14B 磁鐵接近時(shí)，顆粒樣品 S2 開(kāi)始搖動(dòng)（見(jiàn)圖 S3）。由于該樣品太小，無(wú)法準(zhǔn)確稱量，因此將圖 4 中的縱軸單位直接表示為「emu」。M-T 曲線的 FC 和 ZFC 測(cè)量結(jié)果與樣品 S1 表現(xiàn)出相似的正值和相似的分支。這表明 S1 和 S2 具有相似的磁性成分。然而，許多其他樣品對(duì) Nd2Fe14B 磁體沒(méi)有反應(yīng)，有些甚至比 S2 還要小。作者認(rèn)為這可能與樣品的不均勻性有關(guān)，當(dāng)樣品具有合適的尺寸、成分或形狀時(shí)，就有可能達(dá)到半懸浮的狀態(tài)。

圖 S3：實(shí)時(shí)演示樣品 S2 對(duì)稱重紙下方永磁體的響應(yīng)。

圖 4：樣品 S2 的磁化強(qiáng)度。

最后作者測(cè)量了樣品 S3（可半懸?。┑拇呕瘡?qiáng)度，該樣品在 Nd2Fe14B 磁體上呈現(xiàn)半磁懸浮狀態(tài)。首先在 10 Oe 下對(duì) 100 至 300 K 的 M-T 曲線進(jìn)行 FC 測(cè)量。FC 曲線（黑色曲線）的磁化強(qiáng)度在圖 5（a）中顯示出明顯的負(fù)值，在 300 K 以下的溫度下幾乎沒(méi)有變化，這其他嘗試復(fù)現(xiàn)工作獲得的結(jié)果相同。

圖 5：樣品 S3 的磁化強(qiáng)度。

然而，在 M-T 的 ZFC 測(cè)量之前，研究人員在 100 K 下進(jìn)行了場(chǎng)相關(guān)磁化強(qiáng)度的測(cè)量，見(jiàn)圖 5 (b)。當(dāng)磁場(chǎng)從 0 增加到 1500 Oe 時(shí)，磁化強(qiáng)度從負(fù)增加到正。圖 5（c）中的黑色曲線是該過(guò)程的放大圖。與樣品 S1 和 S2 不同，當(dāng)磁場(chǎng)增加到 1500 Oe 以上時(shí)，磁化強(qiáng)度并沒(méi)有隨著磁場(chǎng)的增加而減少，而是以較低的斜率增加。

研究人員的結(jié)論是：半懸浮是由磁矩引起的，而不是由施加在樣品上的凈升力引起的。樣品的抗磁響應(yīng)在此現(xiàn)象中不起重要作用。不過(guò)作者也指出，由于該研究中的解釋要求樣品的形狀是各向異性的，這意味著如果形狀各向同性的樣品仍然可以半懸浮，那么抗磁性的作用仍然可能更重要。

事實(shí)上該研究中的樣品 S2 就屬于這種類型，但如圖 S3 所示：磁鐵的運(yùn)動(dòng)只能輕微晃動(dòng)樣品，而不是使其懸浮。最后作者注意到，制程樣品中的鐵磁性強(qiáng)度似乎足以使樣品半懸浮，但不足以使樣品被同一磁鐵從上方拾起以克服其自身重量。

人們認(rèn)為，今天在 arXiv 上出現(xiàn)的論文似乎已讓物理學(xué)界對(duì) LK-99 造假的「無(wú)罪推定」越來(lái)越難了。

除了北大的研究以外，還有南洋理工、印度國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）也提交了論文，均表示未發(fā)現(xiàn)制備的 LK-99 具有超導(dǎo)特性。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/2308.03544.pdf

也許，這波室溫超導(dǎo)可以告一段落了。真正的室溫超導(dǎo)革命還要再等等。

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