全都結束了?LK-99只是鐵磁材料,不是超導體,北大等研究論文公布

機器之心報道

編輯：澤南

【資料圖】

「不幸的是，一切都結束了?！?/blockquote>

迄今為止，有關韓國室溫超導的復現(xiàn)研究很多呈現(xiàn)的一個關鍵指標是：觀察到常溫常壓條件下材料在永磁體磁場中有半懸浮現(xiàn)象。

雖然觀察表明部分樣品存在室溫邁斯納效應，但這種懸浮只能被認為是懸浮起來「一半」，因為部分樣品仍然與支撐表面接觸。事實上，超導體的兩個最重要的特性，即邁斯納效應和零電阻，尚未在已知的定量測量中得到充分證明和再現(xiàn)，這增加了驗證 LK-99 是否為真正的室溫超導體的不確定性。

今天，北京大學量子材料科學中心（ICQM）郭凱臻、賈爽等人提交到預印版平臺 arXiv 的一篇論文認為，其團隊嘗試合成的 LK-99 樣品不具有超導性。

長期跟進室溫超導的 Twitter 博主 Alex Kaplan 今天上午關注到了這篇論文，認為此次室溫超導的結果基本已經(jīng)落定，「根據(jù)北京大學的最新研究，LK-99 很可能只是一種鐵磁材料，這解釋了它的懸浮特性?！?/p>

同時，美國馬里蘭大學凝聚態(tài)理論中心 CMTC 也表態(tài)，「懷著極大的悲傷，我們現(xiàn)在相信游戲已經(jīng)結束了。LK-99 不是超導體，即使在室溫（或非常低的溫度）下也是如此。它是一種電阻非常高的劣質(zhì)材料。與事實抗爭是沒有意義的。數(shù)據(jù)說話?！?/p>

接下來，讓我們看下論文都說了什么。

論文：《 Ferromagnetic half levitation of LK-99-like synthetic samples 》

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2308.03110

論文詳情

在這項工作中，研究人員成功合成了類 LK-99 多晶樣品，并在一些小片中觀察到磁半懸浮現(xiàn)象，使用粉末 X 射線衍射和能量色散 X 射線光譜，驗證了樣品成分與韓國團隊工作一致。國內(nèi)團隊人員對生長的樣品進行了磁化強度和電阻測量，并在無假設的情況下分析了它們的特性。

北大研究人員表示，盡管一些磁化測量表明樣品在小磁場中可能具有抗磁性，但這種抗磁性響應隨著磁場的增加（達到對抗重力的懸浮程度）而增加尚未得到證實。應該指出的是，抗磁性在許多絕緣體中普遍存在，并不等同于邁斯納效應。在一些鐵磁系統(tǒng)中，當外部磁場的方向與材料內(nèi)部磁化方向相反時，在很小的磁場下就可能檢測到看似反磁的信號。

研究人員在對不同成品進行的磁化測量表明軟鐵磁成分無處不在，其特征是場相關磁化中存在小的磁滯回線。具體來說，在 100 K 下大塊上測量的場相關磁化強度曲線（不顯示半懸浮）可以被視為鐵磁和線性抗磁行為的疊加。

然而，在確實顯示出半懸浮狀態(tài)的小而薄的樣品中，雖然仍能觀察到 10 Oe 下的小抗磁信號（與其他工作的報道一致，但抗磁響應很快就被更高強度下的鐵磁響應所淹沒。基于這一觀察和對與小樣品相關的形狀各向異性的分析，研究人員將半懸浮歸因于樣品對強外部場的鐵磁響應。

此外，正如之前其他研究所報告的一樣，北大試圖復現(xiàn)的樣品電阻沒有顯示出任何超導特征，相反能觀察到與其他報告一致的半導體性狀。

鑒于對鐵磁成分和半導體特性的觀察，該研究認為 LK-99 中室溫超導性的存在仍有待嚴格驗證。作者特別指出，對各向異性形狀樣品的半懸浮觀察應該通過對鐵磁性的仔細審查來解釋。除了追求超導性之外，這種 Pb-Cu-P-O 體系中的室溫鐵磁性性質(zhì)可能值得物理學家進一步了解。

圖 1：樣品的 X 射線衍射圖?？梢姺逯滴恢门c韓國研究幾乎相同。

圖片 S1：北大制成的 Pb10?xCux (PO4) 6O 生長產(chǎn)物。

研究測量了非半懸浮樣品 S1 的磁化強度，當外部磁場為 10 Oe 時磁化強度與溫度（M-T）的 FC 和 ZFC 曲線均顯示出正磁矩和明顯的分支。當磁場增加到 10 kOe 時，F(xiàn)C 和 ZFC M-T 曲線保持正值且重合，如圖 2b 所示。

FC 和 ZFC 曲線中的分支形態(tài)通常出現(xiàn)在鐵磁材料、自旋玻璃材料和超導體中，自旋玻璃態(tài)在較低溫度下更為常見。

圖 2：樣品 S1 的磁化強度。

這一觀察推動我們承認鐵磁成分的存在。為了進一步探索這一點，研究人員在 100 K 和 300 K 下進行了場相關磁化強度測量，如圖 2c 所示。外部磁場從 0 增加到 70 kOe，隨后從 70 kOe 減少到 - 70 kOe，最后再次從 - 70 kOe 增加到 70 kOe。在兩種溫度下都觀察到了類似的行為。當磁場從 0 增加到 1500 Oe 時，磁化強度隨著磁場的增加而增加，然后磁化強度隨著磁場的增加幾乎線性減小，甚至變成負值。

這種現(xiàn)象表明樣品 S1 中大量存在絕緣成分。仔細檢查低場數(shù)據(jù)后，出現(xiàn)了明顯的磁滯回線（圖 2d），進一步證實了鐵磁相的存在。

通過嘗試簡單地從測量數(shù)據(jù)中減去 M-H 的線性抗磁部分，以 100 K 為例（圖 3）。減去抗磁背景后，剩余部分表現(xiàn)出高于 20 kOe 的典型飽和度。將一些抗磁性材料與樣品 S1 進行比較。減去的抗磁化率（～ -2 × 10^?6 emu/g）大于鉍（～ -1.6 × 10^?6 emu/g）和水（～ -10^?7 emu/g），但小于鉍 熱解碳（～ -4 × 10^?6 emu/g），表明這部分不是來自超導。

圖 3：樣品 S1 在 100 K 時的場相關磁化強度（黑色曲線）。

研究人員在測量顆粒樣品 S2 的磁化強度時發(fā)現(xiàn)，當 Nd2Fe14B 磁鐵接近時，顆粒樣品 S2 開始搖動（見圖 S3）。由于該樣品太小，無法準確稱量，因此將圖 4 中的縱軸單位直接表示為「emu」。M-T 曲線的 FC 和 ZFC 測量結果與樣品 S1 表現(xiàn)出相似的正值和相似的分支。這表明 S1 和 S2 具有相似的磁性成分。然而，許多其他樣品對 Nd2Fe14B 磁體沒有反應，有些甚至比 S2 還要小。作者認為這可能與樣品的不均勻性有關，當樣品具有合適的尺寸、成分或形狀時，就有可能達到半懸浮的狀態(tài)。

圖 S3：實時演示樣品 S2 對稱重紙下方永磁體的響應。

圖 4：樣品 S2 的磁化強度。

最后作者測量了樣品 S3（可半懸浮）的磁化強度，該樣品在 Nd2Fe14B 磁體上呈現(xiàn)半磁懸浮狀態(tài)。首先在 10 Oe 下對 100 至 300 K 的 M-T 曲線進行 FC 測量。FC 曲線（黑色曲線）的磁化強度在圖 5（a）中顯示出明顯的負值，在 300 K 以下的溫度下幾乎沒有變化，這其他嘗試復現(xiàn)工作獲得的結果相同。

圖 5：樣品 S3 的磁化強度。

然而，在 M-T 的 ZFC 測量之前，研究人員在 100 K 下進行了場相關磁化強度的測量，見圖 5 (b)。當磁場從 0 增加到 1500 Oe 時，磁化強度從負增加到正。圖 5（c）中的黑色曲線是該過程的放大圖。與樣品 S1 和 S2 不同，當磁場增加到 1500 Oe 以上時，磁化強度并沒有隨著磁場的增加而減少，而是以較低的斜率增加。

研究人員的結論是：半懸浮是由磁矩引起的，而不是由施加在樣品上的凈升力引起的。樣品的抗磁響應在此現(xiàn)象中不起重要作用。不過作者也指出，由于該研究中的解釋要求樣品的形狀是各向異性的，這意味著如果形狀各向同性的樣品仍然可以半懸浮，那么抗磁性的作用仍然可能更重要。

事實上該研究中的樣品 S2 就屬于這種類型，但如圖 S3 所示：磁鐵的運動只能輕微晃動樣品，而不是使其懸浮。最后作者注意到，制程樣品中的鐵磁性強度似乎足以使樣品半懸浮，但不足以使樣品被同一磁鐵從上方拾起以克服其自身重量。

人們認為，今天在 arXiv 上出現(xiàn)的論文似乎已讓物理學界對 LK-99 造假的「無罪推定」越來越難了。

除了北大的研究以外，還有南洋理工、印度國家物理實驗室（NPL）也提交了論文，均表示未發(fā)現(xiàn)制備的 LK-99 具有超導特性。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/2308.03544.pdf

也許，這波室溫超導可以告一段落了。真正的室溫超導革命還要再等等。

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