連續多日的「室溫超導」疑雲，似乎已經一錘定音，劃上句點。
昨日，《自然》期刊發布一篇文章：〈LK-99不是室溫超導體——科學偵探如何解開這個謎團〉。作者Dan Garisto是一位有物理學學位的科學作家，曾就職於費米實驗室（Fermilab）。
8月16日，中科院物理所，對來自三個不同課題組的LK-99樣品進行了更細緻的研究，認為三個獨立樣品體現出的電磁特性都是來源於其中的硫化亞銅，否認了LK-99的室溫超導性。
在16日的最新文章中，Dan Garisto總結了最近連續十幾天的室溫超導反轉事件，將各大機構的研究結果拼湊在一起，揭示了為什麼LK-99會顯示出類似超導行為的謎團。
科學偵探們發現了LK-99不是超導體的證據——導致樣品電阻率急劇下降和磁鐵部分懸浮的原因，是由於材料中的雜質，尤其是硫化亞銅。
這一結論徹底打破了LK-99作為「史上首個室溫常壓超導體」的希望。
加州大學戴維斯分校的凝聚態實驗家Inna Vishik說，「我認為，這件事已經劃上句號，可以到此為止了。」
回顧這場延燒半月的科學熱潮
LK-99風波始於7月下旬，首爾新創公司量子能源研究中心的Sukbae Lee和Ji-Hoon Kim領導的團隊，在arXiv上發表了兩篇預印本論文，聲稱LK-99在溫度高於127ºC（400K）的常壓環境下是超導體，瞬間吸引了全世界的目光。因為，所有先前確認的超導體，都僅在極端溫度和壓力下才起作用。
兩篇論文引爆了全世界的學術機構、乃至業餘愛好者的復現實驗狂潮，從8月份開始，每天都有各種復現實驗和論文絡繹不絕地產出。在8月2日，華科團隊成功復現了樣品的磁懸浮現象。8月3日，東南大學團隊成功測到了LK-99的零電阻現象。這些復現實驗一度把公眾和學界的興奮值拉到最高。
遺憾的是，如今全球各機構經過多次復現實驗，已經有不少下了定論：LK-99不是室溫超導體。
全球瘋實驗，結果卻是否定
韓國團隊認為LK-99是超導體的兩個基本依據：懸浮在磁鐵上方和電阻率突然下降這兩個現象，都被北京大學和中國科學院（CAS）的兩個相互獨立團隊的研究成果，用其他的原因做了令人信服的解釋。
美國普林斯頓大學和德國馬普所的一項研究結合了實驗和理論證據，證明了LK-99的結構為什麼不可能是超導體。德國馬普所實驗人員合成並研究了LK-99的純樣品，消除了之前可能存在的對材料結構的懷疑，並確認LK-99不是超導體，而是絕緣體。
而這段時間唯一進一步支持LK-99可能是室溫超導體的證據，是來源於韓國團隊分享的另一個影片。後續的復現嘗試都沒有觀察到任何懸浮和超導。
無法被證實的懸浮
而名為Derrick van Gennep的哈佛大學的前凝聚態研究員，對LK-99很感興趣，他製作了一個和韓國團展示的LK-99樣品相似的影片。和LK-99的影片一樣，這塊樣品邊緣好像黏在了磁鐵上，並且看起來微妙地平衡。
相比之下，懸浮在磁鐵上的超導體可以旋轉，甚至可以倒過來讓另一邊懸浮。最終他認為，LK-99的性質更有可能是鐵磁性的結果。因此，他用黏有鐵屑的壓縮石墨屑製成顆粒製作出了這個樣品，並且模仿製作了LK-99的懸浮視頻。
8月7日，北京大學團隊的研究結果也認為，他們的LK-99的樣品產生懸浮是由於鐵磁性。他們在論文中稱，樣品中的顆粒因為鐵磁性承受著提升力，但不足以懸浮，所以只能在一端保持平衡。
Li和他的同事測量了樣品的電阻率，沒有發現超導性的跡象。但他們無法解釋韓國團隊看到的電阻率急劇下降。
不純的樣品：最關鍵的成分在這
在韓國團隊提交的預印本中，顯示了LK-99的一個明顯的電阻跳變：在104.8℃時，電阻率從0.02歐姆/公分下降到0.002歐姆/公分。
但合成LK-99的反應配方不平，這導致純淨的LK-99即每1份摻銅磷酸鉛晶體，都伴生了17份銅和5份硫。這些剩餘物變成了LK-99中的雜質，尤其是銅硫化合物在其中佔有很大的比重。這些雜質，在韓國團隊的樣本也有所報告。
之後，這些銅硫化合物雜質成為破解LK-99「超導性」之謎的關鍵。
銅硫化物專家Jain指出，104℃是Cu2S發生相變的溫度。在這個溫度以下，暴露在空氣中的Cu2S電阻率急劇下降，這一點幾乎與LK-99所謂的「超導相變」的信號相同。
在研讀了韓國團隊的論文後，Jain表示，「我幾乎不敢相信，他們竟然錯過了對Cu2S的分析。」8月9日，Jain在arXiv上發表了一篇關於這一重要混淆效應的預印本論文。
論文在結論中聲明，要明確驗證LK-99的超導性，必須是在LK-99沒有任何Cu2S的條件下。
無獨有偶，在Jain論文發表的前一天，中國科學院物理所也證實了Cu2S雜質對LK-99的影響。研究團隊認為，LK-99中的「超導」行為很可能是由於Cu2S在385K時，從高溫β相到低溫相的一階結構γ相變引起的電阻率降低。
研究團隊合成了不同含量Cu2S的LK-99樣本，第一個樣本在真空中加熱，具有5%的Cu2S含量。樣本第二個在空氣中加熱，有70%的Cu2S含量。
在測試這兩個樣本的電阻率時發現：
含5%Cu2S的樣本電阻率在冷卻時相對平穩地增加，看起來與其他複製嘗試的樣本相似。
但含70%Cu2S的樣本的電阻率在112℃附近急劇下降（385K），與韓國團隊的觀察非常接近。
但研究團隊也表示，對LK-99的特性做出確鑿的結論很困難，因為這種材料中的雜質很多，而不同批次合成的樣本都有所不同。
但研究團隊也認為，如果能合成與韓國團隊原始樣品足夠接近的樣品，就可以檢驗LK-99是否在常溫環境下是一個超導體。
純淨LK-99晶體，依然推翻論文
隨著對電阻率下降和半懸浮的其他非超導的有力解釋，LK-99不是室溫超導體似乎逐漸成為主流觀點。但LK-99的實際性質仍未被科學家們證實。
由於對LK-99進行分離和提純十分困難，每次合成的樣品又有很大差異，所以最初科學家試圖用一種被稱為密度泛函理論（DFT）的方法來預測LK-99的結構。
在這個理論的指導下，預測中的LK-99的結構顯示出了有趣的電子特徵，即稱為「扁平帶」（flat bands）。「扁平帶」是指電子移動緩慢且可能強相關的區域。在某些情況下，「扁平帶」的電子特徵會導致超導性。
但這只是基於未證實LK-99的結構假設所做出的計算結果。為了更好地理解這種材料，美國-歐洲團隊對他們的樣本進行了單晶X射線衍射（SXRD）成像，以計算LK-99的結構。成像使研究團隊能夠進行嚴格的計算，闡明了扁平帶的情況：它們並不利於超導性。相反，LK-99中的扁平帶來自於強烈局部化的電子，它們不能像超導體所需的那樣「躍遷」。
研究團隊排除了LK-99是超導材料的可能，認為它更可能是鐵磁體。
到此為止，已有許多研究否定了LK-99是室溫超導體的可能。但仍有一部分支持者，他們認為，否定LK-99的研究都沒有合成「純度達標」的LK-99，這是實驗失敗的原因。
但在8月14日，德國斯圖加特馬克斯普朗克固態研究所的一個獨立團隊真的合成了LK-99的純單晶。與之前依賴坩堝的合成方法不同，研究團隊採用了一種稱為浮動區域晶體生長（floating zone crystal growth ）的技術。為避免硫在合成LK-99的過程中被引入反應中的情況，從而消除了Cu2S雜質。
實驗合成結果得到了一種透明的紫色晶體——純LK-99。但研究結果顯示，分離了雜質後LK-99也不是超導體，而是一種電阻達到數百萬歐姆的絕緣體，它的電阻高到甚至無法進行標準電導率測試。
同時，純LK-99雖然顯示出輕微的鐵磁性和抗磁性，但完全沒法展現出懸浮效應。
研究團隊總結道：「基於以上原因，我們排除了LK-99超導性的存在」。
這也證實了在LK-99體現出來的超導性基本上來源於Cu2S雜質，但在LK-99的純淨晶體中不存在這種雜質。
領導這項研究的馬克斯普朗克物理所科學家Pascal Puphal表示：「這個事件解釋了單晶體的重要性，當我們擁有單晶體時，就可以清楚地研究一個系統的內在特性。」
經驗教訓
許多研究人員正在反思他們從這次超導風波中可以得到的經驗。
普林斯頓大學的固態化學家Leslie Schoop認為，科學家們需要從不成熟的計算結果中吸取教訓。她說，「在LK-99風波之前，我就認為要嚴謹地使用DFT。現在，我為下一個暑期項目已經準備好了一個非常精彩的案例。」
Jain則指出了以前研究中數據的重要性，如北大論文中指出硫化亞銅是電阻跳變原因是否認LK-99超導的關鍵，而硫化亞銅電阻率的測量結果早在1951年就發表了。
雖然一些評論家將LK-99的事件視為科學研究中可重複性的模範，但也有人表示，這是一個不尋常的例子。
一位科學家說：「這種事情在以前往往很難被證偽，因為大部分類似的材料都很難被複製出來。」例如，氧化銅超導體在1986年被發現後，研究人員就開始探索這種材料的性質，現在四十年快過去了，關於這種材料的超導機制仍然存在爭議。
但是對LK-99的研究卻很順利，雖然這種情況真的不太常見。
本文授權轉載自：36kr
責任編輯：錢玉紘
