通過計算證明 LK-99 室溫超導(dǎo)？他們都解讀錯了！

近期韓國團(tuán)隊室溫超導(dǎo) LK-99 引發(fā)熱議，除了世界多個研究組在努力復(fù)現(xiàn)實驗，還有多篇理論計算文章在預(yù)印本網(wǎng)站發(fā)布。這些論文認(rèn)為 Cu 的摻雜引起了 " 從絕緣體到導(dǎo)體 " 的轉(zhuǎn)變，從理論上暗示該物質(zhì)可能實現(xiàn)室溫超導(dǎo)。但是，他們所應(yīng)用的密度泛函計算能證明超導(dǎo)嗎？答案是否定的。

撰文 | 劉淼、蘆騰龍（中國科學(xué)院物理研究所）

【資料圖】

室溫超導(dǎo)是物理學(xué)圈每年都能 " 首次 " 實現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)。如果算上 3 月美國羅切斯特大學(xué) Ranga Dias 團(tuán)隊的 Lu-H-N，今年室溫超導(dǎo)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了兩次。

LK-99 是否具有室溫超導(dǎo)，受到各界熱炒，已成為爆點話題。

暫且不說 LK-99 的實驗證明。截止目前，數(shù)天內(nèi)，arXiv 上至少貼出了 5 篇相關(guān)的密度泛函理論（簡稱 DFT）計算文章。室溫超導(dǎo)計算研究再掀高潮，論文井噴。

5 篇 DFT 論文分別是：

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 個月前，Lu-H-N 室溫超導(dǎo)被報道，圈內(nèi)群起而錘之。大家順藤摸瓜，不久前，甚至扒出了 Dias 團(tuán)隊 2020 年 PRL 論文數(shù)據(jù)造假的鐵證。相比之下，此次 LK-99 事件中，多篇 DFT 論文的觀點一致，皆支持 LK-99 中可能存在超導(dǎo)現(xiàn)象。Dias 估計要哭暈了。

5 篇 DFT 計算結(jié)果顯示，Pb9Cu ( PO4 ) 6O（LK-99 的化學(xué)式）材料存在穿過費米面的平坦能帶，作者們普遍認(rèn)為 Cu 的摻雜引起了 " 從絕緣體到導(dǎo)體 " 的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而大膽推斷，LK-99 有可能具有超導(dǎo)特性。

例如，美國勞倫斯伯克利國家實驗室 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"（譯文：計算表明 Cu 替換某個 Pb 原子后，體系顯示出多項高溫超導(dǎo)的關(guān)鍵性質(zhì)）。

這些分析，雖然聽上去語氣似是而非，但其中的暗示卻不禁讓人浮想聯(lián)翩。

所以是否能通過 DFT 計算，證明 LK-99 的室溫超導(dǎo)特性呢？

答案是否定的！

首先，高溫超導(dǎo)體的物理機制尚不明確，更無法通過 DFT 求解。人們雖然可以通過計算電聲子相互作用，預(yù)言常規(guī)超導(dǎo)體的超導(dǎo)相變，然而，尚未發(fā)展出計算高溫超導(dǎo)相變的公認(rèn)方法。因此，5 篇 DFT 論文，均無法提供 LK-99 高溫超導(dǎo)或室溫超導(dǎo)體的直接理論支撐。

其次，是否可以將費米面附近的能帶解讀為超導(dǎo)？顯然不能。

導(dǎo)體的能帶穿過費米面，超導(dǎo)體是一種導(dǎo)體，所以超導(dǎo)體的能帶也穿過費米面，但是把穿過費米面的能帶解讀為疑似超導(dǎo)是有邏輯錯誤的。這好比汽車有四個輪子，電動汽車是汽車的一種，于是電動汽車也有四個輪子，因為看到四個輪子的車輛就認(rèn)為是電動汽車。

最后，費米面附近的平帶是怎么來的？是強關(guān)聯(lián)的證據(jù)嗎？當(dāng)然也不是。

（1）任何一個摻雜系統(tǒng)，從 DFT 算出來的雜質(zhì)能級看上去都是比較平的帶。但這是雜質(zhì)能級，不是能帶，更不是平帶。摻雜濃度越低，" 能帶 " 看上去越平。

以黑磷中摻雜 S 或者 Si 為例（圖 1），雜質(zhì)濃度越低，雜質(zhì)能級的帶越平。與 LK-99 論文中的現(xiàn)象一致，所以黑磷中摻 S 或者 Si 會變高溫超導(dǎo)嗎？

圖 1 以黑磷中摻雜 S 或者 Si 為例，雜質(zhì)濃度越低，雜質(zhì)能級的帶越平。與 LK-99 論文中的現(xiàn)象一致，所以黑磷中摻 S 或者 Si 會變高溫超導(dǎo)嗎？ [ 圖片取自 Beilstein J. Nanotechnol. 2019, 10, 993 – 1001. ]

（2）任何半導(dǎo)體或絕緣體里摻雜，雜質(zhì)能級如果在帶間，按照文章中 DFT 能帶的定義，費米面落雜質(zhì)能級上。

圖 2 中，在 AlN 中摻雜 V，V 的雜質(zhì)能級看上去是條 " 平臺 "，摻雜后費米面移到了雜質(zhì)能級附近。

圖 2 在 AlN 中摻雜 V，V 的雜質(zhì)能級看上去是條 " 平臺 "，摻雜后費米面移到了雜質(zhì)能級附近。（計算結(jié)果源自蘆騰龍）

實際上，這 5 篇 arxiv 論文中描述的現(xiàn)象是非常普遍的，任何有帶隙的體系，都可以調(diào)控?fù)诫s，讓平坦雜質(zhì)能級出現(xiàn)在帶間，這與超導(dǎo)沒啥關(guān)系。

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