其實只是銅在導電？

最近，各國科學家有關韓國「室溫超導」材料 LK-99 的研究陸續(xù)出爐，持悲觀態(tài)度的人越來越多。

不過人們同時也認為，雖然可能不是超導，但 LK-99 所展現的特殊性質可能會推進凝聚態(tài)物理領域向前進步。人們對 LK-99 的認知仍遠算不上清晰，對其本質的猜測包括半導體、磁性材料、高導電無機聚合物等等不一而足。

8 月 14 日，東南大學侯強、魏瑋、周鑫、王欣悅、孫悅、施智祥等人的論文《Current percolation model for the special resistivity behavior observed in Cu-doped Apatite》提交到了預印版論文平臺 arXiv 上，這份最新研究對于 LK-99 的特性進行了一些解釋。

視頻地址：https://www.bilibili.com/video/BV19u4y1i7nu/

東南大學教授孫悅今天早上在 B 站上傳了視頻第一時間進行了解讀。有趣的是，他表示論文其實在上周四晚就已提交到 arXiv 平臺了，視頻也在那時已準備好，但可能因為話題過于敏感，論文直到周一才正式上線。

東南大學的團隊圍繞 LK-99 建立起了一種模型，來解釋它的奇特電阻行為。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2308.05778

此前，在 8 月 2 日，孫悅所在的團隊表示在 110K 以下且常壓的情況下觀察到了 LK-99 的零電阻。但當時其表示這并不是室溫超導的證據，還有待進一步的探索和測量。

接下來，我們來看下孫老師這次的視頻分析。

首先是圖 1，是對 Pb10-xCux (PO4) 6O 主相及銅和硫化二銅雜質樣品的 X 射線衍射（XRD）分析，XRD 是研究晶體物質和某些非晶態(tài)物質微觀結構的有效方法，也是科研人最常用的材料表征方法之一。

東南大學制成 LK-99 樣品的 X 射線衍射圖，主相 Pb10-xCux (PO4) 6O 以及雜質相 Cu 和 Cu2S。

同時，孫老師團隊也在論文中直觀標注了樣品上可能是銅的區(qū)域。他們也對這些區(qū)域進行了仔細地分析。成分分析結果表示，下圖中這樣的紅色區(qū)域的主要成分是銅或者銅、鉛組成的島。孫老師此后的模型也是基于這樣的成分分析提出的假設。

圖 2（a）：樣品照片；（b）樣品的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（c）整個樣品、（d）和（b）中紅色圓圈區(qū)域的能量色散 X 射線光譜（EDS）。（e）鉛、（f）銅和（g) 磷的能量色散 X 射線光譜圖。

其實從樣品照片（圖 2 a）上我們就能直觀地看到其中點綴著黃色的區(qū)域，很明顯是銅。為了驗證猜測，我們對材料進行仔細的 X 射線能譜（EDX）分析（圖 2f），可見銅分布并不均勻。若對指定區(qū)域（圖 2b 紅圈）分析可知銅摩爾比例超過 90%，可認為此區(qū)域基本由銅、鉛組成。

基于此分析結果，研究人員提出了假設。

以下是孫老師團隊在 LK99 上觀測到的四種特殊的電阻率行為（均在同一樣品上觀察到）。圖 3a 是很多科研團隊此前報告觀察到的半導體行為，即隨著溫度降低，電阻不斷上升，我們在大多數樣品上觀察到的都是這樣的結果。

圖 3：通過對同一樣品的不同區(qū)域進行四次測量獲得的電阻率與溫度的關系。

其中圖 3b 展示的正是孫老師在上一次視頻中提到的在 110K（約 - 163℃）以下近似零電阻的結果，其研究早些時候提交在 arXiv 上（論文《Observation of zero resistance above 100° K in Pb10?xCux (PO4) 6O》）。

孫老師也承認，上次的研究將其稱為零電阻不夠嚴謹，更為準確的說法是近似零電阻（或低于儀器分辨率的極小電阻）。

還有另外一種電阻行為，圖 3c 是 250K（約 - 23℃）的時候，電阻率抖降，但仍然不是零。此時可以觀察到一個線性下降的電阻曲線，7.1K 時電阻急速下降，研究人員認為此處和金屬鉛的性質接近（鉛的超導轉變溫度是 7.1K）。

基于這種觀察，研究人員提出一種滲流模型。簡單來說，我們可以認為在樣品內部形成了很多銅和鉛的「島」，如圖 3C。一般情況下島是互相分離的，所以會隨溫度降低呈現半導體特性。

但是若銅和鉛的區(qū)域非常密集，如圖 3f 中（但室溫下仍然是相互分離的），隨著溫度降低這些銅和鉛的島距離會逐漸接近，因此材料的電阻率會逐漸下降。這是因為電流通道上會有更多低電阻的銅和鉛起到作用。當溫度足夠低時，銅和鉛的區(qū)域互相聯通，形成了電流通路，絕大多數電流通過這種方式通行。

此時可通過四引線法檢測到電流很小，電壓也非常小，我們還會觀察到類似圖 3b 中非常小的近似零電阻情況。

另外還有一種最為極端的情況（如圖 3d）。在室溫條件下某些區(qū)域的銅和鉛連接成為通道，此時測量會顯示銅鉛通道的電阻。

以上就是東南大學團隊對于 LK-99 特殊電阻率特性的解釋。

該團隊也對磁化進行了詳細測量，并沒有發(fā)現任何邁斯納效應的信號。因此我們可以認為，在 LK-99 上目前沒有觀測到超導現象 。

圖 4：樣品的磁化強度。

在視頻的結尾，孫老師表示室溫超導是他們這樣的超導人的最終夢想和目標，他個人是愿意相信室溫超導是存在的。

雖然，這波室溫超導近乎已經被錘死。但正如孫老師所說，認為任何偉大的科學發(fā)現都不是一蹴而就的。相信通過一代一代研究人員的努力，我們終會實現室溫超導。