科学家详解“室温超导体”LK-99乌龙事件

重复实验一一拼凑出这种材料出现类似超导行为的原因。

研究人员似乎已经揭开了围绕LK-99的疑云。科学侦探们已经找到了这种材料并非超导体的证据，并阐明了其实际特性。

(相关资料图)

这个结论打破了对于LK-99——一种铜、铅、磷和氧组成的化合物——是首个室温常压超导体的希望。实际上，研究显示这种材料中的杂质——尤其是硫化铜——才是电阻率快速下降并能部分悬浮于磁铁上方的原因，这些特性看起来与超导体很像。

加州大学戴维斯分校凝聚态物质实验学家Inna Vishik说：“我觉得在这个节点上事情已经基本很明朗了。”

德国马克斯·普朗克固态研究所合成的LK-99纯晶体。来源：Pascal Puphal

这次的LK-99乌龙事件始于7月底——当时，由首尔初创公司量子能源研究中心（Quantum Energy Research Centre）的Sukbae Lee和Ji-Hoon Kim领导的团队发布了预印本论文，称LK-99是一种在常压和至少127 ºC（400开尔文）温度下的超导体。之前所有经证实的超导体只能在极端温度和压强下运作。

这一消息很快得到了科学爱好者和科研工作者的关注，他们很多人尝试复制LK-99。最早的重复工作没能观察到室温超导的现象，但还不能作为最终结论（相关阅读：“室温超导体”LK-99上热搜，但重复结果堪忧）。而现在，经过数十次的重复，许多专家自信地表示，证据显示LK-99并不是室温超导体。（Lee和Kim的团队没有回复《自然》的评论请求。）

积累证据

该韩国团队的结论基于LK-99表现出的两种特性：能在磁铁上悬浮以及电阻率极速下降。然而，北京大学和中国科学院的独立团队发现这些现象能用很普通的原因解释。

美国和欧洲研究人员开展的另一项研究，通过结合实验和理论证据证实了LK-99的结构为何不可能实现超导性。其他实验团队也合成并研究了LK-99的纯样品，消除了大家对该材料结构的疑虑，证实了它不是超导体，而是绝缘体。

进一步的确认只能来自该韩国团队共享他们的样品，墨尔本莫纳什大学的物理学家Michael Fuhrer说，“现在他们有压力让大家信服。”

关于LK-99超导性最惹人注目的证据可能是该韩国团队拍摄的一段视频，视频里一个硬币大小的银色样品悬浮在一块磁铁上。该团队表示，这个样本之所以能悬浮是因为迈斯纳效应——迈斯纳效应是超导性的一个标志，它能让材质抵抗磁场。多个来路不明的LK-99悬浮视频在社交媒体上流传，但最早一批重复实验全都没有观察到任何悬浮现象。

半悬浮

现从事金融业的哈佛大学前凝聚态物质研究员Derrick van Gennep对LK-99很感兴趣，他亮起了好几个“红灯”。在视频中，样品的同一边似乎粘在磁铁上，维持着微妙的平衡。而实际上，悬浮在磁铁上方的超导体能旋转，甚至能翻转。Gennep说：“这些行为和我们在LK-99视频中看到的都不是一回事。”

他认为LK-99的特性更像是铁磁性的结果。为此，他用粘了铁屑的压缩石墨烯薄片做了一个小球。Van Gennep做的视频显示，他用非超导铁磁材料做的小球能模拟出LK-99的行为。

8月7日，北京大学团队报道他们的LK-99样本是因为铁磁性才出现了这种“半悬浮”现象。该研究共同作者、凝聚态物理学家李源说：“这完全就像是一个铁屑实验。”这个小球受到了升力但不足以达到悬浮，只能在一端保持平衡。

李源和他的同事测量了他们样品的电阻率，并未发现超导现象。但他们没能解释韩国团队观察到的电阻率迅速下降的现象。

非纯样品

韩国团队在他们的预印本论文中指出了LK-99的电阻率出现10倍下降——从0.02欧姆-厘米（ohm-cm）到0.002欧姆-厘米——的特定温度。“他们给出了很精确的温度，104.8ºC，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学家Prashant Jain说，“我当时的反应是，等等，我知道这个温度。”

合成LK-99的反应使用的配方不平：合成的每1份铜掺杂铅磷灰石——纯LK-99，它能产生17份铜和5份硫。这些残留物会导致大量杂质，尤其是韩国团队报道样品中存在的硫化铜。

硫化铜专家Jain记得104ºC是Cu₂S发生相变的温度。低于该温度，暴露在空气中的Cu₂S的电阻率会急剧下降，这个现象与 LK-99所谓的超导相变几乎一模一样。“我几乎不敢相信他们没注意到这个。”Jain就这种很重要的混淆效应发布了一篇预印本论文。

8月8日，中国科学院团队报道了LK-99 中Cu₂S杂质的这种效应。中国科学院的物理学家雒建林说：“Cu₂S的不同含量可以通过不同过程合成。”研究团队测试了两个样品，第一个在真空中加热，结果得到了5%的Cu₂S含量，第二个在空气中加热，得到了70%的Cu₂S含量。

第一个样品的电阻率在冷却过程中相对平缓地增加，与其他重复实验的样品看起来很类似。但第二个样品的电阻率在接近112 ºC（385K）时开始骤降——与韩国团队观察到现象很像。

“这一刻我告诉自己，‘好吧，这显然是他们认为这是超导体的原因，’”Fuhrer说，“盖棺定论的是这个硫化亚铜。”

对LK-99的特性很难决定性地概括，因为这种材料很特殊，而且样品含有的杂质各不相同。李源说：“即使是我们自己合成的，每批样品也有细微差异。”但李源表示，这些样品与原始样品足够相似，可以用来检验LK-99在环境条件下究竟是不是超导体。

水落石出

对电阻率下降和半悬浮的有力解释，让领域内的许多人都相信LK-99并非室温超导体。但这个谜团还没有结束——这种材质的实际性质到底如何？

一开始的理论分析使用“密度泛函理论”（DFT）预测了LK-99的结构，并提示其具有“平带”的电子特征。在平带区域，电子能缓慢移动并紧密相关。某些情况下，这种特性会产生超导性。但这些计算都基于对LK-99结构的未经证实的假设。

为了更好地理解这种材料，上述美国-欧洲团队对他们的样品进行了精确的X射线成像，以计算LK-99的结构。关键是，这次成像让他们能进行很严谨的计算，从而阐明了关于平带的具体情况：它们并不能促进超导性的产生。实际上，LK-99中的平带来自强局域的电子，无法以超导体需要的方式“跃迁”。

8月14日，德国马克斯·普朗克固态研究所的另一个团队报道合成了纯的单晶LK-99。与之前需要用到坩埚的合成实验不同，该团队使用名为浮区晶体生长的技术，这样就不用在反应中加入硫，也能避免Cu₂S这种杂质。

最后得到是透明的紫色晶体——纯LK-99，或称Pb8.8Cu1.2P6O25。分离了杂质的LK-99也不是超导体，而是百万欧姆电阻的绝缘体——这个电阻过高，无法进行标准的电导率试验。它表现出很小的铁磁性和抗磁性，还不足以实现部分悬浮。该团队在结论中表示，“我们因此排除了存在超导性的可能。”