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權威期刊《Nature》刊文直指「LK

文:東海大學應用物理系

8月16日發佈在《Nature》網站上面的權威期刊新聞,標題開門見山的刊文寫著「LK-99不是超導體」,看起來事件差不多塵埃落定了,權威期刊「室溫超導體」並沒有出現,刊文大家白白高興了一場。權威期刊

其實自始至終科學界大部分人都是刊文持保留的態度,大眾媒體與社群網路則呈現瘋狂狀態,權威期刊因為「室溫超導體」如果成真,刊文的權威期刊確會對人類社會帶來很大的改變。

科學家從一開始的刊文態度就傾向負面,原因之一是權威期刊要想像能在這麼高的溫度底下超導的機制,其實非常困難,刊文論文預印本呈現的權威期刊資料也嫌粗糙。

不過在材料的刊文領域,「如果能做出來就是權威期刊真的,理論什麼的以後再說」。傳統(低溫)超導體發現於1911年,到1957年才有「BCS理論」的解釋,高溫超導體則是在1986年問世,一直到現在機制都還不完全清楚。但是這麼重大的實驗作出來了,當然是要先驗證再說,如果能夠在不同的實驗室重現,就算理論不清楚,大家也會承認那是真的。

以下就是「(非)室溫超導體LK-99的一生」,我們以Q&A的方式來呈現:

Q1:LK-99是什麼?為什麼大家一開始認為它是室溫超導體?

LK-99是一種由銅、鉛、磷和氧組成的化合物。一開始,韓國研究團隊宣稱LK-99在常壓和高達127ºC的溫度下表現出超導性質—零電阻與麥斯納效應(Meissner effect)。這個結果引起全球關注,因為之前的超導態只在極低的溫度和或極高的壓力下存在。

Q2:什麼是麥斯納效應?LK-99有這種效應嗎?

當材料處於超導態時,會完全排斥磁場,這就是麥斯納效應。所以當超導體放在磁鐵上時,超導體變成一個極性相反的磁鐵來抵銷內部磁場,導致超導體可以懸浮在磁鐵上。韓國的研究團隊曾拍攝了一段影片,顯示一個硬幣大小的LK-99樣本在懸浮在磁鐵上,但是有一端是貼著磁鐵的,他們說這是麥斯納效應造成的磁懸浮。

Q3:LK-99如果能磁懸浮的話,那不就是超導的佐證嗎?

老實說那個磁浮有點半弔子,超導體在磁鐵上懸浮時可以旋轉,甚至上下翻轉;而LK-99樣本的某一邊總是黏附在磁鐵上,看起來似乎處於微妙的平衡狀態。

此外,並不只有超導體才會有磁懸浮的現象,「逆磁性」材料也會有,只要外加磁場夠強的話,連青蛙都可以浮起來。不只如此,有一位哈佛大學的前凝態物理研究人員(目前改行去金融業了)利用碳粉加上一點鐵屑,壓製了一片形狀類似的樣品,放在磁鐵上也可以懸浮得起來,而且那個樣子跟LK-99的懸浮方式幾乎一模一樣,這次的樣品是「鐵磁性」材料。

Q4:那LK-99電阻在攝氏一百多度時像超導轉變一樣突然下降,要怎麼解釋呢?

雖然韓國研究團隊觀察到LK-99在此溫度下的電阻急遽下降,電阻率從0.02 Ω‧cm 降了10倍變成0.002 Ω‧cm,但畢竟沒有到零。此外,其他研究團隊發現,由於論文中LK-99的製程採用的銅與硫的比例並不平衡,導致最後的樣品出現了硫化亞銅(Cu2S)的雜質。硫化亞銅在104ºC時會發生相變,讓電阻大幅下降,讓LK-99的電阻量測看起來有點像超導相變,但並不是。

所以,其他團隊都無法重現LK-99的超導性,原始論文所說類似超導體的抗磁性與電阻下降,都可以用其他的更常見的材料特性來解釋。

Q5:其他團隊無法重現,是否也有可能是因為樣品沒做好的關係?

在8月14日,德國的Max-Planck固態研究所的科學家長出了完美的LK-99的單晶,裡面完全沒有硫化亞銅的雜質,量測的結果顯示它是個電阻超級高的絕緣體,帶有微弱的鐵磁性以及逆磁性,跟超導體截然不同。

Q6:可是不是有理論顯示,LK-99的能帶結構可能具有超導體的特徵嗎?

能帶結構(Band structure)是什麼?

又稱電子能帶結構,描述了禁止或允許電子所帶有的能量。材料的能帶結構決定了多種特性,特別是它的電學、光學和熱學性質。

那篇論文有說要在材料結構符合某些條件才行,不過根據美國與歐洲的合作團隊對材料結構進一步研究,重新計算能帶之後發現,這些條件是不成立的。

1圖片來源:Max Planck Institute for Solid State Research in Stuttgart, Germany.Credit: Pascal Puphal
圖一:純LK-99單晶,是漂亮的紫色晶體。(來源:Max Planck Institute for Solid State Research in Stuttgart, Germany. Credit:Pascal Puphal)

Q7:LK-99的一生,給我們的教訓是什麼?

科學家們在發表重要發現之前先別興奮過度,必須進行徹底、詳細的實驗驗證。此外,要避免一廂情願的解釋成「石破天驚的大發現」,有時對於實驗結果有更簡單、更直接的解釋,可能才是真相,雖然這種解釋比較不吸引人,也無法讓你拿到諾貝爾獎。最後,科學的「可再現性」依然是重中之重的金科玉律。

Q8:最最最後,難道一點救也沒了嗎?

新穎的材料,特別是新超導體的研究,老實說比起煉金術也好不到哪裡去,「超級純的單晶樣品」不見得是最好的答案。像是在前一代的「高溫超導體」中,也是高純度、無摻雜的材料是絕緣體,必須摻入雜質才會超導。所以或許LK-99會在某種「不怎麼乾淨的結構」下超導也說不定。材料的結構千變萬化,我們很難說「百分之百怎樣」,不過現在看起來,可能性是很低很低啦……

Q9:常溫超導體,真的是遙不可及的夢想嗎?

不會啊,接下來是太空時代,在接近絕對零度的太空中,幾乎所有的超導體都是「常溫超導體」了!超導轉變溫度上不去,把「常溫」降下來就好了嘛!

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本文經東海大學應用物理系授權轉載,原文刊載於此

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責任編輯:朱家儀
核稿編輯:楊士範


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