撰文 | 刘淼、芦腾龙(中国科学院物理研究所)
室温超导是物理学圈每年都能“首次”实现的发现。如果算上3月美国罗切斯特大学Ranga Dias团队的Lu-H-N,今年室温超导已经被发现了两次。
LK-99是否具有室温超导,受到各界热炒,已成为爆点话题。
暂且不说LK-99的实验证明。截止目前,数天内,arXiv上至少贴出了5篇相关的密度泛函理论(简称DFT)计算文章。室温超导计算研究再掀高潮,论文井喷。
5篇DFT论文分别是:
First-principles study on the electronic structure of Pb10-xCux(PO4)6O (x=0, 1)
arXiv:2307.16040 (29 Jul 2023)
Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite
arXiv:2307.16892(31 Jul 2023)
Electronic structure of the putative room-temperature superconductor Pb9Cu(PO4)6O
arXiv:2308.00676 (1 Aug 2023)
Pb-apatite framework as a generator of novel flat-band CuO based physics, including possible room temperature superconductivity
arXiv:2308.00698 (1 Aug 2023)
Theoretical insight on the LK-99 material
arXiv:2308.01135 (2 Aug 2023)
5个月前,Lu-H-N室温超导被报道,圈内群起而锤之。大家顺藤摸瓜,不久前,甚至扒出了Dias团队2020年PRL论文数据造假的铁证。相比之下,此次LK-99事件中,多篇DFT论文的观点一致,皆支持LK-99中可能存在超导现象。Dias估计要哭晕了。
5篇DFT计算结果显示,Pb9Cu(PO4)6O(LK-99的化学式)材料存在穿过费米面的平坦能带,作者们普遍认为Cu的掺杂引起了“从绝缘体到导体”的转变,进而大胆推断,LK-99有可能具有超导特性。
例如,美国劳伦斯伯克利国家实验室Sinead M. Griffin文中直言:“the calculations presented here suggest that Cu substitution on the appropriate (Pb(1)) site displays many key characteristics for high-TC superconductivity”(译文:计算表明Cu替换某个Pb原子后,体系显示出多项高温超导的关键性质)。
这些分析,虽然听上去语气似是而非,但其中的暗示却不禁让人浮想联翩。
所以是否能通过DFT计算,证明LK-99的室温超导特性呢?
答案是否定的!
首先,高温超导体的物理机制尚不明确,更无法通过DFT求解。人们虽然可以通过计算电声子相互作用,预言常规超导体的超导相变,然而,尚未发展出计算高温超导相变的公认方法。因此,5篇DFT论文,均无法提供LK-99高温超导或室温超导体的直接理论支撑。
其次,是否可以将费米面附近的能带解读为超导?显然不能。
导体的能带穿过费米面,超导体是一种导体,所以超导体的能带也穿过费米面,但是把穿过费米面的能带解读为疑似超导是有逻辑错误的。这好比汽车有四个轮子,电动汽车是汽车的一种,于是电动汽车也有四个轮子,因为看到四个轮子的车辆就认为是电动汽车。
最后,费米面附近的平带是怎么来的?是强关联的证据吗?当然也不是。
(1)任何一个掺杂系统,从DFT算出来的杂质能级看上去都是比较平的带。但这是杂质能级,不是能带,更不是平带。掺杂浓度越低,“能带”看上去越平。
以黑磷中掺杂S或者Si为例(图1),杂质浓度越低,杂质能级的带越平。与LK-99论文中的现象一致,所以黑磷中掺S或者Si会变高温超导吗?
图1 以黑磷中掺杂S或者Si为例,杂质浓度越低,杂质能级的带越平。与LK-99论文中的现象一致,所以黑磷中掺S或者Si会变高温超导吗?[图片取自Beilstein J. Nanotechnol. 2019, 10, 993–1001.]
(2)任何半导体或绝缘体里掺杂,杂质能级如果在带间,按照文章中DFT能带的定义,费米面落杂质能级上。
图2中,在AlN中掺杂V,V的杂质能级看上去是条“平台”,掺杂后费米面移到了杂质能级附近。
图2 在AlN中掺杂V,V的杂质能级看上去是条“平台”,掺杂后费米面移到了杂质能级附近。(计算结果源自芦腾龙)
实际上,这5篇arxiv论文中描述的现象是非常普遍的,任何有带隙的体系,都可以调控掺杂,让平坦杂质能级出现在带间,这与超导没啥关系。
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