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解讀|理論可行,所以韓國科學家室溫超導反轉了?其實完全沒有

袁嵐峰
2023-08-05 08:12
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·這篇理論文章的結果即使是正確的,意義也很有限。它離解釋室溫常壓超導的距離,就好比從預測某位孕婦可能要生了,到預測這位小朋友將來能得諾貝爾獎,那么大。

關于最近韓國科學家宣稱的室溫常壓超導,我已經寫了一篇文章,基本解釋清了這個問題。最基本的結論是,他們的數據不足以支撐自己的宣稱,實際上沒有任何零電阻的證據,他們錯把一個沒有超導的材料當成了超導。

這不是我一個人的看法,而是超導實驗專家、南京大學聞?;⒔淌诘目捶?。他在接受《科技日報》采訪時,分析了各種實驗數據的錯漏,得到結論,這是超導假象。

聞?;⒔淌谠诳萍既請笪⒉┓Q韓國團隊的超導是超導假象。

其實兩個月之前,聞?;⒗蠋焺倓傇凇禢ature》上發了篇文章,證偽了3月引發轟動的羅切斯特大學Ranga Dias教授宣稱的室溫超導。

Dias研究組在《Nature》上的文章《一種氮摻雜镥氫化物中近常溫常壓超導的跡象》

 

聞?;⒀芯拷M在《Nature》上的文章《Lu-N-H材料近室溫超導不存在》

除了聞老師的解讀之外,我從我對科學規范和對超導的了解出發,也能看出很多荒誕之處。例如韓國團隊第一篇文章的標題叫做《第一個室溫常壓超導體》(The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor),摘要第一句話是“全世界第一次,我們成功地合成了室溫常壓超導體(臨界溫度超過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.)前兩位作者的單位寫的是“量子能源研究中心股份有限公司”(Quantum Energy Research Centre, Inc.)。諸如此類,這些都是典型的民科作風,極大地降低了他們的可信度。 

《第一個室溫常壓超導體》

韓國科學家出示的最強的證據,是所謂超導磁懸浮的視頻。

韓國科學家論文中的超導磁懸浮圖(第二篇預印本的圖4(b))。

但對內行來說,這反而是他們沒有實現超導的證據。因為如一個以色列特拉維夫大學科學家2011年的科普視頻所示,真正的超導磁懸浮是完全的浮在空中,而不是像韓國團隊的樣品這樣一側靠在底座上。更厲害的是,超導體還可以懸浮在磁體的下方!然后你把它推一下,它就會在下方懸空繞著磁體轉圈。前述視頻,相形之下就像《西游記》第二回里菩提祖師說孫悟空,“這個算不得騰云,只算得爬云而已”!

真正的超導體能夠磁懸浮在磁體下方。

此外,我雖然不是超導專業的,但作為理論工作者,也知道一點超導領域的基礎知識:根據解釋常規超導的BCS理論,常壓下的超導轉變溫度不能超過40 K,這叫做麥克米蘭極限(McMillan limit)。

1972年諾貝爾物理學獎(https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1972/summary/)

后來發現了不少超過這個極限的超導體(如銅氧化物超導和鐵基超導),于是學術界就把它們稱為高溫超導。

1987年諾貝爾物理學獎頒給兩位發現銅氧化物超導的科學家(https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1987/summary/)

一個關鍵點是,高溫超導的理論至今沒有建立起來。也就是說,只要是在常壓下超過40 K的超導,就必然是BCS理論不適用的,必然需要某種現在還不清楚的理論。只要是學過超導理論的,都知道這一點。

由此就能看出這群人一個巨大的疑點。他們宣稱的既然是400 K而且常壓的超導,那自然是超出麥克米蘭極限,自然是需要某種新理論解釋的。然而他們居然三言兩語就給出了一個解釋,說這種超導來自Cu2+離子取代Pb2+離子導致的體積收縮,而不是來自外界因素如溫度和壓強(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)。這就是完全不對的,即使這個實驗現象是真的,也根本不應該有這樣簡單的理論解釋。

所以綜合這些疑點,我覺得最合理的解釋是,這群人基本是超導的外行,處于“不知道自己不知道”的水平。

達克效應

歷史上這樣的例子很多。例如2016年就有一位老兄,發了篇預印本文章,標題叫做《373 K超導體》(373 K Superconductors),他的單位赫然就叫做“373 K超導體私人研究所”(373K-SUPERCONDUCTORS, Private Research Institute)!

《373 K超導體》

我這篇文章發了以后,這兩天還有不少人在傳,說某某單位復現了韓國團隊的實驗結果、某人發了理論文章解釋這個材料為什么能超導之類(室溫超導復現失???北航連發兩文未發現超導磁懸浮,但美國國家實驗室計算證實理論上存在)。實際上,仔細看看就會發現,都不出我上面解讀的這些范圍。

這其中,我覺得我可以特別解讀一下那篇所謂解釋了超導的理論文章。因為這個理論剛好在我的知識范圍之內,而在中文互聯網上可能還沒有專業人士出來解讀,所以有不少誤解,以為它有多大的重要性。

此文的標題叫做《銅取代的鉛磷酸鹽磷灰石中相關孤立平坦能帶的起源》(Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite),基本內容是說作者(此文只有一位作者)做了密度泛函理論(density functional theory)計算,發現這種材料在費米能級具有相關的孤立平坦能帶,這是高溫超導材料的普遍信號。

《銅取代的鉛磷酸鹽磷灰石中相關孤立平坦能帶的起源》

這個計算很可能是正確的,但這個計算結果能說明的問題其實是很少的。密度泛函理論我讀博士的時候就整天用,它是目前最常用的電子結構計算方法之一。

1998年諾貝爾化學獎頒給兩位對計算化學做出巨大貢獻的科學家,其中Walther Kohn的獲獎理由就是“由于他發展了密度泛函理論”(https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1998/summary/)

然而需要明白(下面的話我是對內行說的,可能至少需要化學專業研究生的水平才能完全理解),能帶是一種平均場近似的語言(平均場的意思是,假定對于一個電子而言,其他電子的影響可以描述成一個平均的場,而跟這些電子的瞬間位置無關,這樣就可以把各個電子的運動分開考慮)。跟平均場相對的叫做強關聯(即多個電子的運動互相關聯,不能把它們分開),強關聯會給計算增加極大的困難。超導是一種強關聯現象,而強關聯現象目前沒有精確的計算方法。

因此,用這種計算是不能可靠地預測超導的,最多只能說在這種近似理論下得到這種結果,是有利于出現超導的,但是不是真的超導,沒法算出來。這也正是我前面說的,高溫超導理論目前還沒建立起來,誰也不能單憑理論計算就確定某個材料能“高溫”超導。假如有這樣的理論,提出者早就得諾貝爾獎了。

而且別忘了,BCS理論的麥克米蘭極限仍然存在,這是個嚴格的理論。所以即使通過平均場計算預測某個材料可能有超導,也只能在超導轉變溫度低于40 K的時候做比較定量的預測。如果超過了40 K,仍然是理解不清的。所以,這篇理論文章的結果即使是正確的,意義也很有限。它離解釋室溫常壓超導的距離,就好比從預測某位孕婦可能要生了,到預測這位小朋友將來能得諾貝爾獎,那么大。

大家明白了嗎?

(作者袁嵐峰,系中國科學院科學傳播研究中心副主任,中國科學技術大學科技傳播系副主任,中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員,科技與戰略風云學會會長。原標題《韓國科學家的室溫超導反轉了?其實完全沒有 | 袁嵐峰》,本文首發“風云之聲”微信公眾號,澎湃科技獲作者授權轉載。)

    責任編輯:吳躍偉
    圖片編輯:胡夢埼
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