编者按：近日，北京大学量子材料科学中心郭凯臻、贾爽团队在arXiv预印本平台上发布了一篇关于LK-99材料的论文，指出其不具备超导特性。然而，这一结论并未得到网友们的广泛认可，部分人士认为该研究存在不足，未能充分证明LK-99的非超导性。与此同时，国内其他科研机构也纷纷加入室温超导研究的行列，近期又有中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心、中国人民大学、宁波大学、北京师范大学、曲阜师范大学等机构在arXiv上提交了相关论文。其中，中科院物理所团队的研究表明LK-99的类超导现象实为掺杂Cu_2S引起的一级结构相变；而中科院物理所、人大等机构则确定了Pb_10−xCu_x (PO_4)_6O (x=1)的基态为半导体相。接下来，我们将深入解析这两篇重要论文的详细内容。
中科院物理所/北京凝聚态物理国家研究中心团队的研究论文题目为《First order transition in Pb_10-xCu_x (PO_4)_6O (0.9＜x＜1.1) containing Cu_2S》，论文链接：https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2308/2308.04353.pdf。研究团队发现，LK-99样品中含有一定量的Cu_2S杂质，该杂质在400K（约127℃）附近经历了从高温β相到低温γ相的结构相变。为了探究这一类超导转变的真正成因，研究人员对Cu_2S、LK-99以及Cu_2S混合物的输运特性与磁性质进行了系统研究。结果显示，Cu_2S的电阻率在385K（97℃）附近骤降3至4个数量级，与文献中报道的超导转变温度和电阻行为高度吻合。而LK-99与Cu_2S混合物的电阻率同样在相同温度下发生显著变化，但并未降至零值。基于这些实验数据，研究团队得出结论：LK-99的类超导行为极有可能是由Cu_2S的一级结构相变所引发。
论文中的图1展示了纯Cu_2S以及LK-99、Cu_2S混合物的XRD图谱。纯Cu_2S呈现单斜晶型结构，其XRD图谱与空间群P2_1/c的晶体结构高度吻合。LK-99样品中检测到Cu_2S杂质相，且在样品1（S1）中约占5%，在样品2（S2）中约占70%。图1(c)显示，混合物中Cu_2S的主峰位置较纯Cu_2S略有偏移，这可能是由于Cu_2S中S元素含量差异所致。
图2呈现了Cu_2S在2K-400K温度范围内的电阻率变化，分别以线性刻度（图2(a)）和对数刻度（图2(b)）呈现。在385K附近，Cu_2S的电阻率从13.7Ω·cm降至0.006Ω·cm，降幅达3~4个数量级，这一变化趋势与Lee等人报道的LK-99电阻下降现象高度相似，后者转变温度约为378K。
图3(a)(b)展示了样品2（S2）在370K附近电阻率的急剧下降，并伴有明显的热滞后现象。随着温度降低，电阻率在较宽的高温区间呈现金属特性(dρ/dT > 0)，而在100K时则表现出类似半导体的行为。这些变化特征与Lee等人观察到的现象基本一致。图3(c)(d)则显示了样品1（S1）的电阻率温度依赖性，同样观察到在370K附近发生跳跃式变化，并存在热滞后现象。
图4(a)呈现了样品2（S2）在2K-400K温度范围内、1T磁场中的磁化率变化。磁化率表现出抗磁性，并在375K处发生相变，且在磁化率数据中观察到超过10K的热滞后现象，表明存在一级相变。图4(b)则展示了磁化强度与磁场的关系，在2K-400K不同温度下，磁化强度范围为-7T至7T，呈现典型的抗磁行为，与超导体特性并无相似之处。
对于这项研究成果，华南理工大学专家洗芝溪给予了高度评价，认为这是目前最专业、最易被接受的解释。完整知乎讨论链接：https://www.zhihu.com/question/616368545。
中科院物理所、人大、宁波大学等机构联合团队的研究论文题目为《Structural, electronic, magnetic properties of Cu-doped lead-apatite Pb_10−xCu_x (PO_4)_6O》，论文链接：https://arxiv.org/pdf/2308.04344.pdf。该研究聚焦于Cu掺杂PbPO混合物的物理性质，通过第一性原理电子结构计算，发现4f位点的Pb（而非6h位点的Pb）被Cu原子取代，这一取代对费米能级附近的电子态分布具有决定性影响。计算结果显示，Cu原子的3d电子轨道出现在费米能级附近，并表现出强烈的自旋极化特性，从而在掺杂Cu原子周围形成局域磁矩。基于这些发现，研究团队将Pb_10−xCu_x (PO_4)_6O (x=1)的基态确定为半导体相，这一结论与实验测量结果高度吻合。
Pb_10 (PO_4)_6O具有磷灰石型结构，在空间群P6_3/m（No.176）中结晶，晶体常数a=9.8650Å、c=7.4306Å。其结构配置如图1所示，其中不等价的Wyckoff位点形成了两种Pb原子（Pb(1)和Pb(2)），分别位于PO_4四面体间隙空间。Pb(1)原子与五个O原子形成5配位结构，键距为2.44-2.63Å；Pb(2)原子与九个O原子形成9配位结构，键距为2.56-2.94Å。研究团队采用x=1模拟实验合成的Pb_10−xCu_x (PO_4)_6O (0.9≤x≤1.1)材料的物理性质，发现Cu原子主要取代6h位点的Pb(1)而非4f位点的Pb(2)。
基于能量计算，研究团队将取代Pb(1)和Pb(2)的Cu掺杂铅磷灰石分别命名为Cu^6hPbPO和Cu^4fPbPO。结果显示，O^4e(a)构型在能量上更具优势，这与该O原子与掺杂Cu原子之间的键合特性密切相关。Cu^6hPbPO的结构如图2(a)所示，其中Wyckoff位点4e被1/4 O原子占据，形成不等价的4e位点。研究团队进一步分析了O^4e位置对Cu掺杂PbPO混合物电子性能的影响，发现基于能量计算的Cu^6hPbPO（占位O^4e(a)）是Pb_10−xCu_x (PO_4)_6O (x=1)最可能的结构。
总态密度计算结果显示，占位O^4e(a)的Cu^6hPbPO是半导体，能隙约为0.5eV。图3(a)(b)分别展示了占位O^4e(a)和O^4e(b)的Cu^6hPbPO的态密度，尽管存在明显差异，但两者均为半导体，能隙均约为0.5eV。为进一步确认Cu^6hPbPO的半导体基态，研究团队采用GGA+U方法进行电子结构计算，其中哈伯德U值为4.0eV。结果显示能隙约为0.9eV，较PBE计算的0.5eV值有所增大。图4展示了总态密度，其中能隙增大可能与O 2p和Cu 3d轨道的强杂化有关。
图5则展示了Cu 3d和O 2p轨道的投影态密度，其中O 2p轨道表明O 2p与Cu 3d轨道之间存在强杂化，而Cu 3d轨道则表现出明显的自旋极化特性，这与Cu原子周围1.0µB的局域磁矩密切相关。最后，研究团队构建了1×1×2和2×1×1磁性超晶胞，研究两个掺杂Cu原子之间的磁耦合。计算结果显示，沿c轴方向存在弱铁磁耦合（能量小于0.1meV），而在ab平面上的Cu原子磁矩耦合则为反铁磁（能量小于1.0meV）。因此，Cu掺杂铅磷灰石在基态下的磁性表现为反铁磁性。
随着中科院物理所等科研机构这两篇重要论文的发布，这场关于室温超导的讨论或许已经迎来了关键性的解答。本文为专栏作者授权微新创想发表，版权归原作者所有。文章系作者个人观点，不代表微新创想立场，转载请联系原作者。如有任何疑问，请联系http://www.idea2003.com/。
