通过计算证明 LK-99 室温超导？他们都解读错了

返朴
2023-08-07 13:57

本文来自微信公众号：返朴（ID：fanpu2019），作者：刘淼、芦腾龙

近期韩国团队室温超导 LK-99 引发热议，除了世界多个研究组在努力复现实验，还有多篇理论计算文章在预印本网站发布。这些论文认为 Cu 的掺杂引起了“从绝缘体到导体”的转变，从理论上暗示该物质可能实现室温超导。但是，他们所应用的密度泛函计算能证明超导吗？答案是否定的。

撰文 | 刘淼、芦腾龙（中国科学院物理研究所）

室温超导是物理学圈每年都能“首次”实现的发现。如果算上 3 月美国罗切斯特大学 Ranga Dias 团队的 Lu-H-N，今年室温超导已经被发现了两次。

LK-99 是否具有室温超导，受到各界热炒，已成为爆点话题。

暂且不说 LK-99 的实验证明。截止目前，数天内，arXiv 上至少贴出了 5 篇相关的密度泛函理论（简称 DFT）计算文章。室温超导计算研究再掀高潮，论文井喷。

5 篇 DFT 论文分别是：

First-principles study on the electronic structure of Pb_10-xCu_x(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 个月前，Lu-H-N 室温超导被报道，圈内群起而锤之。大家顺藤摸瓜，不久前，甚至扒出了 Dias 团队 2020 年 PRL 论文数据造假的铁证。相比之下，此次 LK-99 事件中，多篇 DFT 论文的观点一致，皆支持 LK-99 中可能存在超导现象。Dias 估计要哭晕了。

5 篇 DFT 计算结果显示，Pb₉Cu(PO₄)₆O（LK-99 的化学式）材料存在穿过费米面的平坦能带，作者们普遍认为 Cu 的掺杂引起了“从绝缘体到导体”的转变，进而大胆推断，LK-99 有可能具有超导特性。

例如，美国劳伦斯伯克利国家实验室 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-T_C superconductivity”（译文：计算表明 Cu 替换某个 Pb 原子后，体系显示出多项高温超导的关键性质）。

这些分析，虽然听上去语气似是而非，但其中的暗示却不禁让人浮想联翩。

所以是否能通过 DFT 计算，证明 LK-99 的室温超导特性呢？

答案是否定的！

首先，高温超导体的物理机制尚不明确，更无法通过 DFT 求解。人们虽然可以通过计算电声子相互作用，预言常规超导体的超导相变，然而，尚未发展出计算高温超导相变的公认方法。因此，5 篇 DFT 论文，均无法提供 LK-99 高温超导或室温超导体的直接理论支撑。

其次，是否可以将费米面附近的能带解读为超导？显然不能。

导体的能带穿过费米面，超导体是一种导体，所以超导体的能带也穿过费米面，但是把穿过费米面的能带解读为疑似超导是有逻辑错误的。这好比汽车有四个轮子，电动汽车是汽车的一种，于是电动汽车也有四个轮子，因为看到四个轮子的车辆就认为是电动汽车。

最后，费米面附近的平带是怎么来的？是强关联的证据吗？当然也不是。

（1）任何一个掺杂系统，从 DFT 算出来的杂质能级看上去都是比较平的带。但这是杂质能级，不是能带，更不是平带。掺杂浓度越低，“能带”看上去越平。

以黑磷中掺杂 S 或者 Si 为例（图 1），杂质浓度越低，杂质能级的带越平。与 LK-99 论文中的现象一致，所以黑磷中掺 S 或者 Si 会变高温超导吗？

图 1 以黑磷中掺杂 S 或者 Si 为例，杂质浓度越低，杂质能级的带越平。与 LK-99 论文中的现象一致，所以黑磷中掺 S 或者 Si 会变高温超导吗？[图片取自 Beilstein J. Nanotechnol. 2019, 10, 993–1001.]

（2）任何半导体或绝缘体里掺杂，杂质能级如果在带间，按照文章中 DFT 能带的定义，费米面落杂质能级上。

图 2 中，在 AlN 中掺杂 V，V 的杂质能级看上去是条“平台”，掺杂后费米面移到了杂质能级附近。

图 2 在 AlN 中掺杂 V，V 的杂质能级看上去是条“平台”，掺杂后费米面移到了杂质能级附近。（计算结果源自芦腾龙）

实际上，这 5 篇 arxiv 论文中描述的现象是非常普遍的，任何有带隙的体系，都可以调控掺杂，让平坦杂质能级出现在带间，这与超导没啥关系。

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