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室温常压超导材料LK-99，美国实验室解释其机理

时间：2023-08-01 20:30:00 来源：万象经验

(资料图片)

你可能已经听说过，最近有一种新的超导材料LK-99引起了物理学界的轰动，它是由韩国大学的Sukbae Lee和Ji-Hoon Kim等人发现和制造的，它是一种灰黑色的物质，有着类似于磷灰石的六方结构，但是其中有一些铅原子被铜原子替代了。根据他们的说法，这种材料在常压下就能在室温下实现超导。

超导是一种奇妙的现象，它的电阻会突然变为零，电流可以无损耗地流过它。这对于我们来说是非常有用的，比如强磁场、高速计算和高效能源传输都需要它。但是，目前已知的超导材料都需要在极低的温度下工作，通常需要使用液氮或液氦等制冷剂。

现在，世界各地的许多实验室都试图重现这种材料的超导性，但都以失败告终。然而，如果制备材料的一些细节没有完全掌握的话，也可能导致制造出来的材料不是我们想要的。因此，虽然很多实验都没能复现超导性，LK-99还是有一丝希望，他们转而求助于美国劳伦斯伯克利国家实验室。

美国劳伦斯国家实验室的Griffin博士用超算进行模拟，对该材料的超导进行了一些理论解释，目前论文以发表在预印本服务器上。这篇论文使用密度泛函理论来模拟LK-99的电子结构，发现了一个非常有趣的特征：在费米面附近存在一些孤立的平带。费米面是一种描述材料中电子能量分布的概念，它可以类比为海平面。在费米面以下的电子都被填充了，而在费米面以上的电子都是空闲的。平带是指一些能量几乎不随动量变化的电子态，它们相当于一些静止不动的电子。这些平带在费米面附近意味着这些电子很容易被激发或者配对，从而形成超导态。

那么，为什么LK-99会有这样的平带呢？这篇论文指出了两个重要的因素：一是铜原子引起的结构畸变，二是铅原子孤对引起的手性电荷密度波。结构畸变是指当铜原子替代磷灰石中的铅原子时，会使晶格稍微收缩和扭曲。这会改变磷灰石中原本存在的六角形通道，使其变得不对称。手性电荷密度波是指当铅原子孤对沿着六角形通道排列时，会形成一种螺旋状的电荷分布。这两个因素共同作用，使得铜原子周围形成了一些局域化的d轨道电子态，这些电子态就构成了平带。

这篇论文认为，这些平带是LK-99超导性质的关键所在，它们可以用一个最简单的双带模型来描述。双带模型是指考虑两种不同类型的电子态来解释超导现象，其中一种是平带中的局域化电子态，另一种是晶格中其他位置上的延展性电子态。这两种电子态之间可以通过相互作用来交换能量和动量，从而实现超导配对。

总之，Griffin博士用一个简单而有效的双带模型揭示了LK-99材料中超导机制的可能性，并为进一步研究这种神奇材料提供了理论指导。

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