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解读|理论可行,所以韩国科学家室温超导反转了?其实完全没有
·这篇理论文章的结果即使是正确的,意义也很有限。它离解释室温常压超导的距离,就好比从预测某位孕妇可能要生了,到预测这位小朋友将来能得诺贝尔奖,那么大。
关于最近韩国科学家宣称的室温常压超导,我已经写了一篇文章,基本解释清了这个问题。最基本的结论是,他们的数据不足以支撑自己的宣称,实际上没有任何零电阻的证据,他们错把一个没有超导的材料当成了超导。
这不是我一个人的看法,而是超导实验专家、南京大学闻海虎教授的看法。他在接受《科技日报》采访时,分析了各种实验数据的错漏,得到结论,这是超导假象。
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闻海虎教授在科技日报微博称韩国团队的超导是超导假象。
其实两个月之前,闻海虎老师刚刚在《Nature》上发了篇文章,证伪了3月引发轰动的罗切斯特大学Ranga Dias教授宣称的室温超导。
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Dias研究组在《Nature》上的文章《一种氮掺杂镥氢化物中近常温常压超导的迹象》
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闻海虎研究组在《Nature》上的文章《Lu-N-H材料近室温超导不存在》
除了闻老师的解读之外,我从我对科学规范和对超导的了解出发,也能看出很多荒诞之处。例如韩国团队第一篇文章的标题叫做《第一个室温常压超导体》(The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor),摘要第一句话是“全世界第一次,我们成功地合成了室温常压超导体(临界温度超过400 K,即127℃)……”(For the first time in the world, we succeeded in synthesizing the room-temperature superconductor (Tc ≥ 400 K, 127℃) working at ambient pressure with a modified lead-apatite (LK-99) structure.)前两位作者的单位写的是“量子能源研究中心股份有限公司”(Quantum Energy Research Centre, Inc.)。诸如此类,这些都是典型的民科作风,极大地降低了他们的可信度。
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《第一个室温常压超导体》
韩国科学家出示的最强的证据,是所谓超导磁悬浮的视频。
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韩国科学家论文中的超导磁悬浮图(第二篇预印本的图4(b))。
但对内行来说,这反而是他们没有实现超导的证据。因为如一个以色列特拉维夫大学科学家2011年的科普视频所示,真正的超导磁悬浮是完全的浮在空中,而不是像韩国团队的样品这样一侧靠在底座上。更厉害的是,超导体还可以悬浮在磁体的下方!然后你把它推一下,它就会在下方悬空绕着磁体转圈。前述视频,相形之下就像《西游记》第二回里菩提祖师说孙悟空,“这个算不得腾云,只算得爬云而已”!
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真正的超导体能够磁悬浮在磁体下方。
此外,我虽然不是超导专业的,但作为理论工作者,也知道一点超导领域的基础知识:根据解释常规超导的BCS理论,常压下的超导转变温度不能超过40 K,这叫做麦克米兰极限(McMillan limit)。
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1972年诺贝尔物理学奖(https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1972/summary/)
后来发现了不少超过这个极限的超导体(如铜氧化物超导和铁基超导),于是学术界就把它们称为高温超导。
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1987年诺贝尔物理学奖颁给两位发现铜氧化物超导的科学家(https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1987/summary/)
一个关键点是,高温超导的理论至今没有建立起来。也就是说,只要是在常压下超过40 K的超导,就必然是BCS理论不适用的,必然需要某种现在还不清楚的理论。只要是学过超导理论的,都知道这一点。
由此就能看出这群人一个巨大的疑点。他们宣称的既然是400 K而且常压的超导,那自然是超出麦克米兰极限,自然是需要某种新理论解释的。然而他们居然三言两语就给出了一个解释,说这种超导来自Cu2+离子取代Pb2+离子导致的体积收缩,而不是来自外界因素如温度和压强(The superconductivity of LK-99 originates from minute structural distortion by a slight volume shrinkage (0.48%), not by external factors such as temperature and pressure. The shrinkage is caused by Cu2+ substitution of Pb2+(2) ions in the insulating network of Pb(2)-phosphate and it generates the stress)。这就是完全不对的,即使这个实验现象是真的,也根本不应该有这样简单的理论解释。
所以综合这些疑点,我觉得最合理的解释是,这群人基本是超导的外行,处于“不知道自己不知道”的水平。
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达克效应
历史上这样的例子很多。例如2016年就有一位老兄,发了篇预印本文章,标题叫做《373 K超导体》(373 K Superconductors),他的单位赫然就叫做“373 K超导体私人研究所”(373K-SUPERCONDUCTORS, Private Research Institute)!
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《373 K超导体》
我这篇文章发了以后,这两天还有不少人在传,说某某单位复现了韩国团队的实验结果、某人发了理论文章解释这个材料为什么能超导之类(室温超导复现失败?北航连发两文未发现超导磁悬浮,但美国国家实验室计算证实理论上存在)。实际上,仔细看看就会发现,都不出我上面解读的这些范围。
这其中,我觉得我可以特别解读一下那篇所谓解释了超导的理论文章。因为这个理论刚好在我的知识范围之内,而在中文互联网上可能还没有专业人士出来解读,所以有不少误解,以为它有多大的重要性。
此文的标题叫做《铜取代的铅磷酸盐磷灰石中相关孤立平坦能带的起源》(Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite),基本内容是说作者(此文只有一位作者)做了密度泛函理论(density functional theory)计算,发现这种材料在费米能级具有相关的孤立平坦能带,这是高温超导材料的普遍信号。
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《铜取代的铅磷酸盐磷灰石中相关孤立平坦能带的起源》
这个计算很可能是正确的,但这个计算结果能说明的问题其实是很少的。密度泛函理论我读博士的时候就整天用,它是目前最常用的电子结构计算方法之一。
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1998年诺贝尔化学奖颁给两位对计算化学做出巨大贡献的科学家,其中Walther Kohn的获奖理由就是“由于他发展了密度泛函理论”(https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1998/summary/)
然而需要明白(下面的话我是对内行说的,可能至少需要化学专业研究生的水平才能完全理解),能带是一种平均场近似的语言(平均场的意思是,假定对于一个电子而言,其他电子的影响可以描述成一个平均的场,而跟这些电子的瞬间位置无关,这样就可以把各个电子的运动分开考虑)。跟平均场相对的叫做强关联(即多个电子的运动互相关联,不能把它们分开),强关联会给计算增加极大的困难。超导是一种强关联现象,而强关联现象目前没有精确的计算方法。
因此,用这种计算是不能可靠地预测超导的,最多只能说在这种近似理论下得到这种结果,是有利于出现超导的,但是不是真的超导,没法算出来。这也正是我前面说的,高温超导理论目前还没建立起来,谁也不能单凭理论计算就确定某个材料能“高温”超导。假如有这样的理论,提出者早就得诺贝尔奖了。
而且别忘了,BCS理论的麦克米兰极限仍然存在,这是个严格的理论。所以即使通过平均场计算预测某个材料可能有超导,也只能在超导转变温度低于40 K的时候做比较定量的预测。如果超过了40 K,仍然是理解不清的。所以,这篇理论文章的结果即使是正确的,意义也很有限。它离解释室温常压超导的距离,就好比从预测某位孕妇可能要生了,到预测这位小朋友将来能得诺贝尔奖,那么大。
大家明白了吗?
(作者袁岚峰,系中国科学院科学传播研究中心副主任,中国科学技术大学科技传播系副主任,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员,科技与战略风云学会会长。原标题《韩国科学家的室温超导反转了?其实完全没有 | 袁岚峰》,本文首发“风云之声”微信公众号,澎湃科技获作者授权转载。)
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