刚刚，常温常压超导首被证明理论可行：美顶尖实验室论文出炉
机器之心Pro
2023-08-02 16:28:06
机器之心报道
机器之心编辑部
超算掐指一算，感觉超导有戏。
(相关资料图)
就在全世界的科学家们争相做实验的同时，有人为最近韩国科研团队「常温常压超导」研究提供了理论方面的支持。
几个小时前，美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）在 arXiv 上提交了一篇论文，其结果支持 LK-99 作为室温环境压力超导体。
目前该论文已经在 Twitter 上引起了广泛的关注与讨论。
有人第一时间看过论文表示：这是一个重大发现，研究提交的速度极快，但其中思考又足够缜密。
在该研究中，LBNL 纳米结构材料理论研究员 Sinéad Griffin 使用美国能源部的计算能力进行模拟，称已经为铜掺杂铅磷灰石的超导性找到了理论基础，费米能级的孤立平带是超导晶体的标志。
通过计算机模型，我们从理论上描述了若现实世界中存在常温超导，其材料应具有什么性质。而如今吸引全球关注的 LK-99 具有这种特殊性质。
这可能也是相关研究中，第一个证实了「常温常压超导体」理论可行的。
在论文提交之后，作者第一时间发推：论文 drop 了，可以睡会儿了。
论文题目为《Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite》。
论文链接：https://arxiv.org/abs/2307.16892
方法概览
本次实验使用了 Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) 进行了所有密度泛函理论（DFT）计算，这是一个用于量子力学计算的软件包。考虑到 Cu-d 态的低定位，实验应用了 Hubbard-U 修正。实验还测试了 2 eV 到 6 eV 之间的 U 值，发现实验结果与所有计算值的结果都相似。正文中的结果是 U = 4 eV 时的结果，该值给出的晶格参数与实验结果相差 1%。
下图 1. (a) 为铅磷灰石结构，如正文所述，具有两个不等价的铅位点。O 或 OH 列位于 Pb (2) 六边形结构所定义的中心列中。Pb_10 (PO_4)_6OH_2 的计算电子定位函数。Pb (2) 周围的氧根受到孤对的排斥。
图 1。
下图 2 (a) 的铅磷灰石结构，显示了 9 个配位的 Pb (1) 位。b) Cu 取代结构显示了六配位的 Cu 和 Pb (1) 位点，具有扭曲的三棱柱配位，两种不同的键长，上下三角形之间 24 ◦ 的刚性扭转。右侧是 Cu-d 9 的晶体场图。
图 2。
下图 3 为计算出的自旋极化电子能带结构（左）和相应的态密度。图左橘黄色实线表示自旋向上能带，蓝色虚线表示自旋向下能带。图右灰色阴影表示总态密度，其中粉色显示为 Cu-d 轨迹，绿色显示为相邻的 O-p 轨迹。两张图中，费米能级均设置为 0 eV。
图 3。
值得注意的是，该研究发现一组孤立的平面带穿过费米能级，最大带宽为～130 meV (见前文图 4)：
这些理论结果表明，磷灰石结构为稳定高度局部化的 Cu-d^9 态提供了一个独特的框架，而 Cu-d^9 态在费米能级上形成了强相关的平带。Pb (2) 的立体化学活性 6s^2 孤电子的核心作用体现在手性电荷密度波的形成，以及连接多面体的结构扭曲的传播。
当 Cu 在 Pb (1) 位点上被取代时，结果是一连串的结构变化，包括晶格参数减少、配位变化和多面体倾斜的改变，进而导致 Cu 周围出现局部 Jahn-Teller 扭曲三棱柱。最终形成了一组平坦不正常、半填充的孤立 d_yz/d_xz 带。
此前，人们对于高温超导的可信度持续存疑，多个国家的实验室纷纷表示复现失败。近日，北航与中科院沈阳材料科学国家实验室有关复现 LK-99 的论文中均表示结果不理想。韩国团队则在 arXiv 上重新上传了自己的论文。
而最新的消息，重新给了我们以希望。
至少提交论文的这个伯克利实验室，不是家普通的机构。
劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL），简称伯克利实验室，是一家由加利福尼亚大学系统为美国能源部（DOE）运营的多学科研究机构。其主要的研究范围包括基础能源科学、生物和环境系统科学、先进科学计算、物质基本属性、未来加速器、可持续发展的能源技术等。
从 1950 年代至今，伯克利实验室一直是国际物理研究中心之一，共有 12 名与伯克利实验室相关的研究人员获得了诺贝尔奖。
新研究的唯一作者 Sinéad Griffin，现任 LBNL 的纳米结构材料理论研究员，她于 2014 年在苏黎世联邦理工学院获得博士学位。
她的研究方向主要在于结合分析和计算方法来理解、操纵和设计量子材料的功能特性，包括磁性、多铁性和拓扑顺序，应用范围从量子信息科学到下一代微电子学。此外，她特别关注于凝聚态科学和高能物理学之间的交叉部分。
随着人们对于 LK-99 等材料的认识逐步清晰，我们或许可以更快找到验证室温超导物质的方法。
作者：https://foundry.lbl.gov/about/staff/sinead-griffin/
