常溫常壓超導首被證明理論可行:美頂尖實驗室論文出爐
超算掐指一算,感覺超導有戲。就在全世界的科學家們爭相做實驗的同時,有人為最近韓國科研團隊“常溫常壓超導”研究提供了理論方面的支持。幾個小時前,美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)在arXiv 上提交了一篇論文,其結果支持LK-99 作為室溫環境壓力超導體。
目前該論文已經在Twitter 上引起了廣泛的關注與討論。
有人第一時間看過論文表示:這是一個重大發現,研究提交的速度極快,但其中思考又足夠縝密。
在該研究中,LBNL 納米結構材料理論研究員Sinéad Griffin 使用美國能源部的計算能力進行模擬,稱已經為銅摻雜鉛磷灰石的超導性找到了理論基礎,費米能級的孤立平帶是超導晶體的標誌。
通過計算機模型,我們從理論上描述了若現實世界中存在常溫超導,其材料應具有什麼性質。而如今吸引全球關注的LK-99 具有這種特殊性質。
這可能也是相關研究中,第一個證實了“常溫常壓超導體”理論可行的。
在論文提交之後,作者第一時間發推:論文drop 了,可以睡會兒了。
論文題目為《Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite》。
論文鏈接:https://arxiv.org/abs/2307.16892
方法概覽
本次實驗使用了Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) 進行了所有密度泛函理論(DFT)計算,這是一個用於量子力學計算的軟件包。考慮到Cu-d 態的低定位,實驗應用了Hubbard-U 修正。實驗還測試了2 eV 到6 eV 之間的U 值,發現實驗結果與所有計算值的結果都相似。正文中的結果是U = 4 eV 時的結果,該值給出的晶格參數與實驗結果相差1%。
下圖1. (a) 為鉛磷灰石結構,如正文所述,具有兩個不等價的鉛位點。O 或OH 列位於Pb (2) 六邊形結構所定義的中心列中。Pb_10 (PO_4)_6OH_2 的計算電子定位函數。Pb (2) 周圍的氧根受到孤對的排斥。
圖1。
下圖2 (a) 的鉛磷灰石結構,顯示了9 個配位的Pb (1) 位。b) Cu 取代結構顯示了六配位的Cu 和Pb (1) 位點,具有扭曲的三棱柱配位,兩種不同的鍵長,上下三角形之間24 ◦ 的剛性扭轉。右側是Cu-d 9 的晶體場圖。
圖2。
下圖3 為計算出的自旋極化電子能帶結構(左)和相應的態密度。圖左橘黃色實線表示自旋向上能帶,藍色虛線表示自旋向下能帶。圖右灰色陰影表示總態密度,其中粉色顯示為Cu-d 軌跡,綠色顯示為相鄰的Op 軌跡。兩張圖中,費米能級均設置為0 eV。
圖3。
值得注意的是,該研究發現一組孤立的平面帶穿過費米能級,最大帶寬為~130 meV (見前文圖4):
這些理論結果表明,磷灰石結構為穩定高度局部化的Cu-d^9 態提供了一個獨特的框架,而Cu-d^9 態在費米能級上形成了強相關的平帶。Pb (2) 的立體化學活性6s^2 孤電子的核心作用體現在手性電荷密度波的形成,以及連接多面體的結構扭曲的傳播。
當Cu 在Pb (1) 位點上被取代時,結果是一連串的結構變化,包括晶格參數減少、配位變化和多面體傾斜的改變,進而導致Cu 周圍出現局部Jahn-Teller 扭曲三棱柱。最終形成了一組平坦不正常、半填充的孤立d_yz/d_xz 帶。
寫在最後
此前,人們對於高溫超導的可信度持續存疑,多個國家的實驗室紛紛表示復現失敗。近日,北航與中科院瀋陽材料科學國家實驗室有關復現LK-99 的論文中均表示結果不理想。韓國團隊則在arXiv 上重新上傳了自己的論文。
而最新的消息,重新給了我們以希望。
至少提交論文的這個伯克利實驗室,不是家普通的機構。
勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory,LBNL),簡稱伯克利實驗室,是一家由加利福尼亞大學系統為美國能源部(DOE)運營的多學科研究機構。其主要的研究範圍包括基礎能源科學、生物和環境系統科學、先進科學計算、物質基本屬性、未來加速器、可持續發展的能源技術等。
從1950 年代至今,伯克利實驗室一直是國際物理研究中心之一,共有12 名與伯克利實驗室相關的研究人員獲得了諾貝爾獎。
新研究的唯一作者Sinéad Griffin,現任LBNL 的納米結構材料理論研究員,她於2014 年在蘇黎世聯邦理工學院獲得博士學位。
她的研究方向主要在於結合分析和計算方法來理解、操縱和設計量子材料的功能特性,包括磁性、多鐵性和拓撲順序,應用範圍從量子信息科學到下一代微電子學。此外,她特別關注於凝聚態科學和高能物理學之間的交叉部分。
隨著人們對於LK-99 等材料的認識逐步清晰,我們或許可以更快找到驗證室溫超導物質的方法。
作者:https://foundry.lbl.gov/about/staff/sinead-griffin/