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一文说清：关于最近热门的室温超导体LK-99
有关确认的传言四起，但情况仍让人沮丧地模糊不清。
被磁铁排斥的 LK-99
7 月下旬，一对令人吃惊的论文出现在 arXiv 上，这是一份关于物理和天文学主题的预同行评审手稿的存储库。论文声称描述了一种材料的合成，这种材料不仅能够在室温以上超导，而且能够在水的沸点以上超导。它在正常大气压力下这样做。
与其多年来在只能在极端条件下工作的奇特材料上进行工作，这些论文似乎描述了一种可以通过一些相对简单的化学方法制成的材料，如果将其放在桌子上，它就会起作用。这就像找到了通往一项将改变社会的材料的捷径。
撰写关于这些结果的文章的最佳时机是在它们已被多个实验室证实之后。但现在不是最佳时期。相反，每天似乎都在传出有关可能的确认、令人困惑和矛盾的结果以及关于为什么这种材料应该或不应该起作用的知情讨论的传言。
在本文中，我们将解释目前情况以及为什么即使这些说法正确，要达到清晰的境界也将是具有挑战性的。
原始论文是怎么说的？
两份手稿中更详细的一份描述了如何制造材料及其性能测量。材料本身是已知化学品铅磷酸盐的一种变体。磷酸盐是一类形成相似晶体结构的化学品；这种特定版本主要由铅和磷酸盐组成——它的所有成分都很便宜且易于获得。
这里开发的版本，被称为 LK-99，是通过将硫酸铅与铜-磷化合物反应而制成的(反应需要在真空下高温超过一天)。这会剥离铜的磷，使其氧化，并允许它从与铅的化合物中置换出硫。关键的是，一部分铅本身最终被铜在最终化合物中取代。
由于铜比铅小得多，这对磷酸盐晶体结构产生了重大影响。研究人员声称，结果样品的整体体积因此下降了约半个百分点，并且这种变化伴随着各种原子和键的方向发生变化。这意味着电子在材料中驻留位置的变化。
这种变化似乎对 LK-99 的行为至关重要。超导性与许多非常具体的特性相关，研究人员测量了其中两个：磁场线的排斥(称为麦斯纳效应)和临界温度的存在，在此温度下电导率发生变化。
很难解释这些实验有多奇怪。在正常情况下，超导材料开始表现得像普通化学物质，并且必须冷却到临界点，在那里会出现异常行为。LK-99 相反，开始超导，必须加热到水的沸点以上才能达到其临界温度。
唯一有些奇怪的结果出现在临界温度以下的温度。在室温和以上，LK-99 的阻力保持在零，这是测试设备能够测量的。但它一旦温度达到 60°C，就会开始略微上升，并显示出平滑的上升斜率，直到样品达到 90°C，此时它保持平坦，直到达到临界温度。研究人员没有尝试解释这一点。
那么我们有了一个简单的超导体？
绝对不是。合成过程不允许对多少铅原子被铜取代进行任何控制。LK-99 的公式为 Pb10-xCux(PO4)6O。注意 x 的存在，这意味着高中代数教你认为的含义：未知。晶体结构的基本单元中有 10 个铅原子，并且随着添加铜原子数量的减少，该数字会以精确的比例减少。但是这个数字可能有所不同。
而且情况还在变得更加复杂。我们也没有控制哪个铅原子被取代。每个晶体基元中都有非常特定位置的铅原子，并非所有这些位置都等同于其他位置。有一些迹象表明，在特定位置替换铜更有利于能量，但这种合成是在高温下进行的，因此能量有利性可能不是发生的事情的主要决定因素；有足够的能量可以节省。
材料的正常结构(左图)和铜替代后发生的变形(右图)
此外，没有保证同一个晶体基元中的所有铅原子都被替换了。这意味着 LK-99 的样品可以具有不同的铜含量和不同的晶体结构，这可能对其超导特性产生重大影响。
这是一个非常复杂的问题，因为没有人真正知道在这种材料中发生了什么。这是一个很好的例子，说明为什么物理学中实验比理论更重要。我们可以提出理论，但我们需要实验来告诉我们它们是否正确。在这种情况下，实验结果非常令人惊讶，我们需要更多的实验来了解它们是否正确。
有没有人复现这些结果？
是的，并且结果并不一致。一些实验室声称能够复现结果，而另一些实验室则表示他们无法复制结果现。这在很大程度上归因于材料的复杂性。
一个关键问题是，研究人员如何确定他们正在研究 LK-99。这是一种非常复杂的化合物，并且有许多其他化合物具有类似的成分。如果实验室没有正确识别他们的样品，那么他们可能根本没有在研究 LK-99。
另一个问题是，研究人员如何测量超导性。超导性是一种非常微妙的现象，很容易受到干扰。如果实验室没有正确设置他们的设备，那么他们可能无法测量超导性。
最后，研究人员需要考虑 LK-99 的复杂性。这是一种非常复杂的化合物，并且很难确定它是否真的表现出超导性。如果实验室没有考虑到这种复杂性，那么他们可能得出错误的结论。
所以LK-99到底是不是超导体？
不确定。我们需要更多的实验来了解它是否真的是超导体，以及它是否真的像研究人员声称的那样简单。如果它是真实的，那么它将是一项重大发现，但我们需要更多的证据来支持它。
本文译自 Ars Technica，由 BALI 编辑发布。