突破性發現！LK-99：首個室溫常壓超導體震撼科學界
近年來，科學家們一直致力於超導材料的研究，並不斷尋求在室溫和常壓條件下實現超導性的可能性。超導體是具有零電阻和完全抗磁性的材料。然而，長期以來，超導材料都需要極低的溫度和高壓才能實現超導狀態，這限制了其實際應用的範圍。近日，韓國科學團隊宣稱他們發現了一種名為LK-99的常壓室溫超導體。這種灰黑色材料是由鉛磷灰石稍加變動的六方結構，據稱可在400 K （127 °C；260 °F）以下作為超導體。如果這項發現得到證實，它將在能源、交通和醫療等領域產生巨大影響。
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LK-99的結構與特性
LK-99，也稱為銅掺雜的鉛磷灰石 Pb10-xCux(PO4)6O，是一種改性鉛磷灰石晶體結構。它的化學成分為 Pb10-xCux(PO4)6O，其中0.9<x<1.1。該材料呈現灰黑色，並在超導臨界溫度 Tc 以上表現出 Pb(6s1) 的歐姆金屬特性，在 Tc 以下的室溫和大氣壓力下則展現出超導體的邁斯納效應，產生懸浮現象。LK-99的超導臨界溫度超過了 126.85°C（約400 K），這是它成為室溫超導材料的重要特點。
下圖為論文中提到的分子結構與LK-99的外觀還有XRD圖譜
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| 分子結構與LK-99的外觀 |
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| LK-99的XRD圖譜 |
超導性的原理：庫柏對和邁斯納效應
超導材料的超導性是基於一種稱為庫柏對的現象。在超導轉變溫度以下，材料中的電子會形成庫柏對，這是由於電子之間存在吸引力，使它們能夠在晶格中無阻礙地流動，形成零電阻的特性。這種零電阻的特性使得超導材料在電流傳導方面表現得非常優越，並且能夠在低能量損耗下進行高效率的電力傳輸。
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| 不同溫度下的電阻 |
此外，超導材料還具有一種稱為邁斯納效應的特性。當超導材料處於磁場中時，它會產生一個與外部磁場相反的磁場，使得外部磁場無法進入材料內部。這種現象可以用來實現磁懸浮技術，其中超導磁體的排斥磁場可以使列車或磁浮列車懸浮在軌道上，從而降低摩擦和能耗。
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| 不同溫度下的磁化率 |
LK-99超導體的超導機制
1. 體積收縮：由於鉛被銅取代而產生的絕緣體-金屬轉變所引起的。當銅離子取代鉛離子時，材料的內部結構會發生收縮，從而實現超導。
2. 原位排斥庫倫相互作用：由於結構變形增強了一維鏈（沿著c軸的Pb2-O1/2-Pb2）結構中的原位排斥庫倫相互作用，從而在Tc下產生超導凝聚。這意味著，在超導轉變溫度以下，材料中的電子會形成庫柏對，這是由於電子之間存在吸引力，使它們能夠在晶格中無阻礙地流動，形成零電阻的特性。
下圖為論文中提到的結構畸變與形成的結晶中一維陣列產生的電荷密度波（CDW）
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| LK-99 結構畸變與形成的結晶中一維陣列產生的電荷密度波（CDW） |
LK-99的超導性源自於微小的結構畸變，這種畸變是由於銅離子取代鉛離子而產生的輕微體積收縮（0.48％）引起的。收縮產生應力，並同時傳遞到圓柱體列的鉛，導致介面發生扭曲，從而在介面中產生結晶中一維陣列產生的電荷密度波（CDW）。
這兩種超導機制共同作用，使LK-99材料能夠在室溫和常壓條件下實現超導性
LK-99的製程
在這兩篇發表在arXiv的論文中有說明LK-99的製程，包括三個主要步驟：
下圖為論文中提到的LK-99製程
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| LK-99製程 |
1. 合成黃鉛礦 Pb2(SO4)O：將氧化鉛 PbO 和硫酸鉛 Pb2(SO4)粉末按照50%比例混合，然後在坩鍋中將混合粉末在有空氣存在的環境下，加熱至725℃的爐子中，持續加熱24小時，最終生成黃鉛礦 Pb2(SO4)O
2. 合成磷化亞銅晶體 Cu3P：將銅 Cu 和磷 P 粉末按照適當比例混合，然後將混合粉末密封在密封管中，真空度為10的-3次方torr。將密封管放入550℃的爐子中，進行48小時的加熱處理，最終產生磷化亞銅晶體 Cu3P
3. 生成常溫常壓超導體 Pb10-xCux(PO4)6O：將黃鉛礦 Pb2(SO4)O 和磷化亞銅晶體 Cu3P 研磨成粉末，然後在坩埚中混合，接著將混合粉末放入密封管中，真空度為10的-3次方torr。將密封管放入925℃的爐子中，進行5~20小時的高溫加熱處理，最終生成一種銅掺雜的鉛磷灰石 Pb10-xCux(PO4)6O，即常溫常壓超導材料。
應用前景與挑戰
LK-99的發現開啟了室溫常壓超導材料的新時代，並在超導技術的應用領域中帶來了巨大的潛力。以下是LK-99的應用前景和相關挑戰：
應用前景
1. 電力傳輸： LK-99作為室溫常壓超導材料，如果其超導性能獲得確認，將帶來電力傳輸領域的革命性變革。相比傳統導線，超導材料的電阻為零，可大幅提升電力傳輸效率，減少能源損耗。這意味著更長距離的高效電力傳輸，有望解決長距離電力輸送中的能量損耗問題。
2. 交通運輸： LK-99的超導特性使其擁有迈斯纳效应，這意味著在磁場中表現出強大的排斥力。這將使LK-99應用於磁懸浮列車或磁浮交通工具成為可能，因為磁懸浮列車可懸浮在軌道上，減少接觸摩擦，提高運輸效率，並降低能源消耗。
3. 醫療設備： LK-99的超導性質使其在醫療設備領域有著廣泛的應用潛力。例如，超導磁體可用於核磁共振成像（MRI）等高精度影像技術中，提供更清晰的醫學影像，幫助醫生進行更精確的診斷。
相關挑戰
1. 實驗重複性和確認性： 由於LK-99的研究結果尚未能在其他實驗室中複現，其超導性質仍存在爭議。其他科學家需要進行進一步實驗以驗證這一突破性發現的可靠性。
2. 材料穩定性和成本： 超導材料的穩定性和成本是應用廣泛化的關鍵因素。目前LK-99的製造過程還需要進一步優化，以提高材料的穩定性並降低生產成本。
3. 科學解釋和理論支持： LK-99的超導性現象需要深入的科學解釋和理論支持。科學家們需要進一步探索LK-99的微觀結構和特性，以解釋其超導性的來源和機制。
結語
若LK-99真如作者所說，這無疑是超導領域的一大突破，它帶來了將超導技術應用於室溫和常壓條件下的希望。然而，目前論文的研究結果在學術界引發了許多質疑，並且其研究過程尚未能複現。
因此，LK-99的超導性仍然存在爭議，需要更多科學家的努力來進行確認和驗證。無論如何，LK-99的發現已經為超導領域開辟了新的方向，並為未來的超導研究和應用帶來了無限的可能性。期待科學家們在這一領域繼續努力，共同推動超導技術的發展，為人類社會帶來更大的進步和發展。
引用：
1. [The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor]
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