美国学者在 arXiv 发文，理论计算结果支持 LK-99 室温常压超导

针对韩国学者 " 室温超导成果 " 的复现实验再迎新进展。当地时间 7 月 31 日，美国劳伦斯伯克利国家实验室研究员辛萨姆 · 格里芬（）在预印本网站 arXiv 上发表了题为《LK-99（铜取代铅磷灰石）中相关孤立平带的起源》（Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite）的论文。该论文支持 LK-99 作为室温超导体的结论，目前已经在 Twitter 上引起了广泛关注和讨论。

图 | 相关论文（来源：arXiv）

【资料图】

格里芬通过理论计算模拟了韩国团队提出的铜离子取代铅离子、让材料晶体结构发生应变、进而产生的超导态的过程。

其还分析了该超导材料的电子结构，发现该材料的费米能级存在孤立平带，最大带宽为～130meV。费米能级是指温度为绝对零度时固体能带中充满电子的最高能级，或者说是费米子系统在趋于绝对零度时的化学势。而费米能级存在孤立平带则被认为是高温超导体的标志。即电子的传导路径恰好满足室温超导的条件，并处在合适的位置上。

实验中，格里芬采用 Vienna Ab initio Simulation Package （VASP）进行密度泛函理论计算。考虑到 Cu-d 态的低定位，她在实验中使用了 Hubbard-U 修正。晶格参数与实验结果相差 1%。理论计算结果表明：磷灰石结构为稳定高度局部化的 Cu-d9 态提供了一个独特的框架，而 Cu-d9 态在费米能级上形成了强相关的平带。

Pb ( 2 ) 位点的 6s2 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应变的传播。当 Cu 在 Pb ( 1 ) 位点上被取代时，结果是发生了一连串的结构变化，包括晶格参数改变、配位变化和多面体倾斜的变化，进而导致 Cu 周围出现局部 Jahn-Teller 畸变三棱柱。

最终形成了一组平坦不正常、半填充的孤立 dyz/dxz 带。论文中，格里芬还讨论了平带、磁涨落和声子对超导转变温度的影响，她认为 Cu 取代的铅磷灰石结构上满足室温超导所需的特征。

值得注意的是，该结构处于高能状态，格里芬认为该材料的合成极具挑战性，因为需确保添加的微量组分的铜在整个材料中处于合适的晶格位点上，在合适的温度和压力下才能展现超导性。

而在此前，中国科学院沈阳金属所的研究人员也通过第一原理计算研究了 LK-99 及其母体化合物的电子结构，旨在阐明铜的掺杂效应。研究结果表明，母体化合物 Pb10（PO4）6O 是绝缘体，而掺杂铜会引起其由绝缘态向金属态转变，从而导致体积收缩。

LK-99 在费米级附近的能带结构特征是一个半填充的和一个完全填充的平坦带。他们在这两个平带上观察到了 4 个 van Hove 奇点，这表明该材料具有一定的不稳定性。但是，该团队并没有在论文中给出这一材料是否超导的结论。

尽管理论计算结果支持 LK-99 作为室温超导体的结论，但是实验上的复现则更为重要，全球范围内已有多个研究组正在持续跟进。

不少人正对实验中的一些细节进行探究（例如氧气在其中发挥的作用），并与韩国团队保持密切沟通。未来几周，相信会有更多的研究结果出现。室温超导的 " 圣杯 " 能否被摘下，还需拭目以待。如果室温超导真的成为现实，人类有望迈入一个全新的时代。

参考资料：

https://arXiv.org/abs/2307.16892

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

https://arXiv.org/abs/2307.16040

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