通过计算证明LK-99室温超导？他们都解读错了

• 2023-08-05 13:11:25 来源：返朴

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）

(资料图)

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_Csuperconductivity”（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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