半漂浮於磁場中的LK-99

LK-99後續”它不是個超導體”,韓國的常溫超導體為什麼還是翻車了

上個月底橫空出世的「室溫超導體」or「常溫超導體」出現的時候我還記得我有多興奮,我還發了一篇文章想要參與這個歷史性的一刻。

延伸閱讀:2023橫空出世的”常溫超導體”LK-99?!製作步驟超簡單,直接挑戰諾貝爾獎?!

但是幾個星期後,經過了全世界的科學家的檢視之後,LK-99是世界上第一個室溫超導體這件事終究還是被推翻了,QQ

nature:LK-99不是超導體

前幾天nature網站上發表了一篇文章,題目也很直接:

LK-99 isn’t a superconductor — how science sleuths solved the mystery

https://www.nature.com/articles/d41586-023-02585-7

LK-99不是超導體!雖然被推翻了,但至少要了解一下為什麼翻車,還有LK-99的性質為什麼會這麼像超導體讓韓國團隊誤認。今天就來看一下nature這篇文章大概在說什麼,用以緬懷一下我前幾個星期對「科學新發現」的興奮之情。

1.要飄不飄的懸浮有點怪

超導體的麥斯納效應,或是更直覺地說,可以懸浮在磁場中是超導體的標配。根據韓國團隊發表的影片可以看到,他們做的LK-99雖然有懸浮,但是只有飄一半起來,有一端是直接黏在磁鐵上的。

簡單來說超導體會懸浮在磁場中,但反過來說會懸浮在磁場中不一定是超導體。

而且LK-99的懸浮行為不太像是典型的超導體的樣子,比較像是鐵磁性造成的。

Derrick van Gennep(former condensed-matter researcher at Harvard University in Cambridge, Massachusetts)利用石墨和一些鐵屑,壓製成錠狀,成功再現出韓國團隊發表的LK-99要飄不飄的影片中的樣品的漂浮行為。

隨後中國北京大學的團隊也表示他們製作的LK-99樣品可以飄起來,但是是來自「鐵磁性」(ferromagnetism)而非超導體特有的「麥斯納效應」。

2.樣品中的不純物造成誤判

韓國團隊的文章裡面有提到,LK-99在某個溫度下電阻下降了10倍,他們認為那是LK-99超導體性質的臨界溫度。而那個溫度是攝氏104.8度。

這溫度剛好是Cu2S的相變化的溫度。在這個溫度以下,空氣中的Cu2S的電阻值會大幅下降。這就是LK-99電阻值突然大幅下降的原因。

而LK-99的配方中加入了大量的銅粉和硫粉,所以成品中會大量的雜質,尤其是Cu2S。

中國科學院與針對的這點設計了實驗,他們用兩個不同樣品。第一個在真空中加熱,最終樣品內有5%的Cu2S,第二個樣品在空氣中加熱,最後裡面有70%的Cu2S。第二個樣品的在攝氏112度時電阻值突然急遽下降,和韓國團隊的觀察到的結果很相似。

Cu2S的相變化造成的電阻急遽下降可能是讓韓國團隊誤判這是超導體的性質的原因。

3.純LK-99晶體的研究

雖然一開始有人用理論計算算出LK-99是有可能是超導體,但是後面美國-歐洲團隊對實際樣品進行x-ray繞射得到的晶體結構加以計算,得到的結果是:

LK-99的結構反而是不利超導性質的

另外一個德國團隊利用特殊的方法合成了高純度的LK-99 (結構Pb8.8Cu1.2P6O25)的單晶。和韓國團隊土炮的合成方法不同,去除了Cu2S等雜質加以研究,結果發現LK-99不是超導體而是電阻高達數百萬歐姆的絕緣體。電阻大到沒辦法用一般方法進行測量。這可能也是韓國團隊在測量電性時誤判的原因。

4.總結

  • 中國:懸浮和電阻突然下降=有極為普通的解釋(非超導體)
  • 美國、歐洲:結合理論計算和實驗,認為LK-99結構不能有超導性質
  • 德國:去除雜質後的LK-99結晶被證實為電阻極大的絕緣體,而非超導體
  • 懸浮現象:最初嘗試重現實驗的科學家都沒有成功重現可以懸浮的樣品;LK-99傾斜著懸浮的樣子用石墨加鐵屑壓成錠也可以再現。

心得

雖然很希望LK-99是真的常溫超導體,結果還是翻車了。雖然我本來就抱持著觀望的態度啦但還是有點失望。

希望有生之年可以看到真正的室溫超導體啊。

參考資料

(1)nature LK-99 isn’t a superconductor — how science sleuths solved the mystery

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