LK-99 不是超導體,那是甚麼?

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超導體具有零電阻的特性,圖為德國 RWE 集團開發的超導電纜,超導電纜用超導體傳導電流的導線。 圖片來源:路透社

南韓學者早前發表論文聲稱,由常見元素鉛、磷和氧製成的化合物,當混了銅後,可在室溫和恆常氣壓下合成超導體,名為 LK-99,受全球矚目,究竟 LK-99 是否具備超導性?英國科學學術期刊「自然」(Nature最新文章反駁有關說法,全球頂尖的德國馬克斯.普朗克研究所(Max Planck Institute)科學家直言 LK-99 不是超導體,並通過實驗發現 LK-99 有輕微的抗磁性,但不足以實現部分懸浮,故排除超導性的存在。

南韓團隊的主張是基於 LK-99 兩個特性,分別是磁鐵上方的懸浮力和電阻率突然下降。美國和歐洲研究人員的另一項研究結合實驗和理論證據,證明了 LK-99 的結構為何不可能是超導體,馬克斯.普朗克研究所的人員合成並研究 LK-99 的純樣品後,消除對該材料結構的懷疑,確認 LK-99 不是超導體,而是絕緣體。

唯一支持 LK-99 可能是室溫超導體的證據,來自南韓團隊拍攝的一段影片,片中可見一枚硬幣形狀的銀色材料樣本在磁鐵上面擺動,但其後在多次嘗試中,都沒有觀察到任何懸浮現象。

前哈佛大學凝聚態物質研究員 Derrick VanGennep 製作了跟南韓國團隊 LK-99 版本相似的影片,這塊樣本的邊緣黏在磁鐵上,看起來平衡,懸浮在磁鐵上的超導體能夠旋轉,甚至可以倒置。他認為 LK-99 特性更有可能是鐵磁性的結果,所以他使用壓縮石墨刨花製作了一個顆粒,上面黏有鐵屑,並模仿製作 LK-99 的懸浮影片。北京大學團隊的研究結果也顯示,LK-99 的樣本產生懸浮是鐵磁性造成。

不純的樣品含不同的雜質

南韓團隊提交的資料指出,在特定溫度 104.8℃,LK-99 的電阻率會下降 10 倍,電阻率從約 0.02 歐姆-厘米降至 0.002 歐姆-厘米,出現明顯的電阻跳變。不過,合成 LK-99 的反應採用了不平衡的配方:每製造 1 份銅摻雜磷酸鉛晶體,即純 LK-99,便會產生 17 份銅和 5 份硫,這些殘留物會產生大量雜質,特別是硫化銅(Cu2S),南韓團隊亦有報告這種情況。

銅硫化合物雜質是破解 LK-99 超導性謎團的重點。美國化學家 Prashant Jain 表示,104℃ 是 Cu2S 發生相變的溫度,若低於這個溫度,暴露在空氣中的 Cu2S 的電阻率會急劇下降,這點與 LK-99 所謂的超導相變一致。Jain 在預印本網站 arXiv 發表論文稱,驗證 LK-99 的超導性,必須在 LK-99 沒有任何 Cu2S 的條件下進行。

8 月 8 日,中國科學院也報告 LK-99 中 Cu2S 雜質的影響,研究團隊測試了兩個樣品 —— 第一個在真空中加熱,產生 5% 的 Cu2S 含量;第二個在空氣中加熱,產生 70% 的 Cu2S 含量。第一個樣品的電阻率隨著冷卻而相對平穩地增加,看起來跟其他複製嘗試的樣本相似;第二個樣品的電阻率驟降至接近 112 ºC(385K),與南韓團隊的測試結果非常吻合,但認為難以對 LK-99 的特性做結論,因為這種材料含有很多雜質。

如果 LK-99 不是室溫超導體,這種材料的實際特性是甚麼?美國—歐洲小組對樣本進行了單晶 X 射線衍射(SXRD)成像,計算 LK-99 的結構,解釋了「扁平帶」(flat bands)的情況。扁平帶指電子移動緩慢、可能強烈相關的區域,扁平帶的電子特性在某些情況下會導致超導性。經過團隊嚴格的計算,它們不利於超導性,相反 LK-99 中的扁平帶來自於強烈局部化的電子,不像超導體所需的方式「躍遷」(hop)。

德國馬克斯.普朗克研究所的團隊合成了 LK-99 的純單晶,採用一種稱為浮動區域晶體生長(floating zone crystal growth )技術,該技術能避免將硫引入反應中,消除 Cu2S 雜質。實驗結果得出一種透明的紫色晶體 —— 純 LK-99,或 Pb8.8Cu1.2P6O25,與雜質分離後,LK-99 不是超導體,而是電阻高達數百萬歐姆的絕緣體,其電阻高到無法進行標準電導率測試。它顯示出輕微的鐵磁性和抗磁性,但不足以展現懸浮效應,基於這些原因,排除 LK-99 超導性的存在。