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作者: Eriri (英梨梨) 看板: Gossiping
标题: Re: [问卦] 第三天了，常温超导有下文了吗？
时间: Sat Jul 29 19:07:31 2023
小弟也算是做过超导材料方面的研究
虽然是做理论的 平常只看过发在期刊上 经过严格处理过 漂亮的实验图表数据
没看过发表以前的那些原始实验数据
只是难得看到这次那么多人关心超导 这几天稍微扫了下文章
周末有空就在板上说些个人想法 顺便给点科普
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首先 先简单介绍超导体
超导体并不是电阻极小的导体 而是根本和导体在物理上就有本质性的不同
为什么一般物质 无论导体或绝缘体 都一定有电阻?
因为一般物质 基本可以想成是一大堆电子各自独立运动的集合
个别粒子运动时总是会被各种粒子或杂质所散射 于是无可避免地会有电阻
但这种单粒子组合在一起的图像 却不适用超导体
超导体是种宏观的量子相干态(Macroscopic Quantum Coherent State)
没有真正确定的粒子数 因为 单粒子图像根本并不适用于超导体
这听起来很玄妙...但这就是量子世界的本质
举个更有名例子 大家或许听过 一个电子要是处于量子态中 那么它的位置就不是确定的
对于量子相干态而言 它实际上就处于一种不同粒子数形成的叠加态中
可以想像成 在超导体 电子因为某些原因
像是"融化"一般 失去了独立的粒子意义 形成一个整体
于是 整个超导体的电流流动 也是一整体的
所以不会被微小的散射所影响 这就是为什么超导体没有电阻的原因
接下来说下超导体的历史 以及它们在物理上的意义
超导体是1911年 在量子力学被确立前就发现的
第一个被接受的理论解释 要等到将近五十年以后的BCS理论
BCS理论有几个重要的元素:
1. 就是我之前提到的 超导体是宏观的量子相干态
宏观量子相干态在波色子中很常见
由于玻色子的统计性质 波色子在温度够低时会产生凝聚(Condensation)
在这种凝聚下 单粒子图像就此消失 形成了宏观的量子相干态
事实上 雷射也属于光子形成的宏观量子相干态
2. 但电子是费米子 而费米子无法单独产生凝聚 那么 是什么导致超导体中的凝聚现象?
BCS理论中认为 超导体里 产生凝聚的是所谓的库柏对(Cooper Pair)
而库柏对是由两个反方向运动的电子配对而成 和费米子不同 于是这些库柏对能产生凝聚
3. 那么 是什么导致两个电子能产生库柏对呢?
毕竟 电子之间是斥力 原则上似乎不应该产生配对(实际上更微妙些 但这里不多做讨论)
BCS理论给的答案是 由于电子和晶格之间作用力 导致两个反方向的电子能形成库柏对
有个简单的古典图像: 当第一个电子经过一个晶格 由于电子和晶格的作用力 扰动了晶格
这个晶格影响了另一个反方向经过的电子 等效地产生了两个电子间的吸引力
最终形成了库柏对
我想再提 1:超导体是量子宏观相干态 和 2:古柏对产生凝聚而形成的宏观量子相干态
这两个基本上是理解超导现象的核心概念 不只是BCS理论而已
想要绕过1和2去构造超导理论 不太现实或不太符合其他实验
大多数理论都是关注于如何产生古柏对
总之 BCS理论非常漂亮地解释许多超导现象 甚至 不只是如此
BCS理论直接启发了后来自发对称破缺和希格斯机制的概念 后者是现代高能理论的核心
但是 依然有很多超导体是无法用BCS理论解释的
其中最有名的 大概是铜氧体系超导 一般大家印象中的高温超导 常常就是铜氧超导
铜氧体系超导 当初是个超乎意料的发现 因为这个体系的超导
是将本来是绝缘体的材料 做电子或电洞的参杂 最终形成超导
你可以想像: 本来应该是绝缘体的材料 为何突然间就形成超导?
这背后的物理至今依然没有共识 但带出来很多丰富的研究和想法 篇幅有限 就不多细讲
但我想说的是 很多人以为没有理论能解释高温超导 这句话不算很精确
因为 如果单独只有超导部分的话....理论其实还不算少
高温超导真正复杂的地方 是包含超导在内的整张相图(如下图) 而不单只有超导本身
https://imgur.com/a/kqmjFqr
没有理论能让所有人都满意地解释整张相图的现象 也没有太多实验手段能轻易分辨理论对错
总之呢 自从铜氧超导被发现以来 也经过了将近四十年
这段时间并不是没有进步 例如发现了别的体系的超导 像是铁基超导
不管怎么说 这些超导体在常压下的临界温度 离常温看起来的确还有不小的距离
这自然也是为什么 这次的LK-99那么多人关注
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那么 终于可以回到大家最有兴趣的 韩国团队这次的LK-99 到底是不是超导?
至少我不能提供答案 而且...我怀疑 目前也没有人敢斩钉截铁的回答
毕竟 那些新的超导体系 常常是由不专门做超导的人所发现的
这么说有点夸张 但超导的历史的确包含着许多的打脸史
不真的做实验 是没有人能够百分百确认的
但我还是可以给些关于超导实验的科普 以及个人看法
各位当作是我个人偏见就好了 不必太在意
确认超导体所需要的实验 往往至少需要以下几个
1. 电阻对温度(R-T)曲线
理想上 R-T曲线在临界温度以下是0 然后在临界温度有个不连续的跳跃 长这样
https://imgur.com/AchTVk5
实际上当然不一定会那么理想 不一定直接掉到0 而可能会有个很小的区间降到极小电阻
论文中的R-T曲线是这样 的确在摄氏127度附近 有个从很大电阻跳到较小电阻的
https://imgur.com/a/58ZIiIg
但那个较小电阻...其实不是真的很小 而且维持很长区间 然后到摄氏60度左右才掉到更小的值
这种降到极小电阻的方式 不太像超导
但反过来 同样的...我暂时想不到太多
其他能解释从高温到低温 电阻突然从大跳到小的相变
2. 磁化率对温度
相信大家最耳熟能详的超导体特征 所谓的迈斯纳效应(Meissner effect)
这效应最直观的表现就是磁浮 这个磁浮是由于超导导致的抗磁性而产生
但其实抗磁性甚至是磁浮 只是超导的必要条件 不是充分条件
室温下能够磁浮的非超导抗磁性物质是存在的
但这两者的机制毕竟是不同的 是可以透过测量磁化率来判别的
首先是 一般的抗磁性 磁化率对温度的变化是连续的 而超导体在临界温度会有个跳跃
再来 某些(type 2)超导体 外加磁场会造成磁涡漩 破坏一小部分的超导
所以在没有外加磁场(ZFC) 或有外加磁场(FC)情况下 测量磁化率的过程 得到曲线不同的
原则上type 2超导体的磁化率对温对曲线应该是长这样
https://imgur.com/akDQXd9
在临界温度以下 ZFC和FC是分岔的 接近临界温度时有个跳跃 临界温度以上则是相对平坦
在文章里 虽然ZFC和FC看起来的确在临界温度下有分岔 但不知道临界温度以上的行为
https://imgur.com/a/IfxHip4
这种分岔也可能有其他未知来源 甚至可能来自测量背景值的误差
3. 比热
由于超导是种相变 比热在临界温度时应该会有不连续的变化
https://imgur.com/a/hyEA6r7
如果说上面两个测量 多少还有点超导的迹象 那比热大概是最不像超导
这个前几天有板友提了
https://imgur.com/a/Z1AS2Lq
我或许可以帮忙试着找点理由 比起电磁性质 热性质可能比较微妙 来源不一定只有电子
考虑到临界温度超过摄氏一百度以上 其他自由度(例如晶格)也有可能对比热有贡献
所以想独立看到超导相变造成的比热变化 说不定需要更详细的实验方法
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总之 我的个人心得是 从这篇文章给的数据...乍看起来的确有些看起来像超导的迹象
但文章的数据和图表 都存在很粗糙的地方 这不是很好的征兆
因为可能有些看起来像超导的迹象 是来自实验或数据处理的疏忽
考虑到...这毕竟不是正统实验室 加上似乎团队有内哄
而且 这是个临界温度超过摄氏一百度的超导 某些实验手段可能没那么方便
那也不是完全不能理解
反过来想 另一方面 同样的也还没有证据证明这"不是"超导
比起文章品质...我个人不太相信的原因 主要还是 考虑到电子的性质和能量尺度
常压下摄氏一百度以上电子宏观量子相干态...真的是超乎想像
作者花了些篇幅提供超导的来源机制 但我觉得他们的理论解释 只是让我觉得更不太合理
而且他们尝试用一些过去的理论 去解释常压下临界温度摄氏一百度的超导
终究也没太大的必要 毕竟 他们宣称发现的超导 要是成真的话 是如此超越常识
综观超导体的历史 都是实验驱使新理论的诞生 理论其实的预测能力有极限
要是LK-99最后证明真的是常温超导 那肯定会驱使并帮助 物理学家探索新的超导机制
但我还是希望 无论是不是这次的LK-99 有一天终究会发现室温超导!
毕竟 材料世界的复杂度和可能性 终究还是超过人类目前经验和理论的边界太多了
这也是为什么 就像我提的 虽然这篇文章很多很粗糙的地方
但还是有些平常认真做超导研究的实验组 愿意真的花时间和资源来做实验验证
我也知道大家都很期待早日知道结果 但从生长样品到完成数据整理 真的没那么快
即使考虑到原作者说制作起来不难 但也不是三四天内就能做完所有分析 给出肯定答案
毕竟 无论是实验量测 或者数据分析 都需要仔细处理去掉其他变因 才能得到真正的答案
至少我目前没看到很肯定 到底是或不是超导的实验结果
也没听到什么可信的消息源有答案
倒是看到很多消息被不精确翻译或理解 而失去了原意 或者根本不知消息的来源
还是静观其变 至少再等一到两个礼拜再来判断吧