超算掐指一算，感觉超导有戏。
就在全世界的科学家们争相做实验的同时，有人为最近韩国科研团队「常温常压超导」研究提供了理论方面的支持。
几个小时前，美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）在 arXiv 上提交了一篇论文，其结果支持 LK-99 作为室温环境压力超导体。
目前该论文已经在 Twitter 上引起了广泛的关注与讨论。
有人第一时间看过论文表示：这是一个重大发现，研究提交的速度极快，但其中思考又足够缜密。
在该研究中，LBNL 纳米结构材料理论研究员 Sinéad Griffin 使用美国能源部的计算能力进行模拟，称已经为铜掺杂铅磷灰石的超导性找到了理论基础，费米能级的孤立平带是超导晶体的标志。
通过计算机模型，我们从理论上描述了若现实世界中存在常温超导，其材料应具有什么性质。而如今吸引全球关注的 LK-99 具有这种特殊性质。
这可能也是相关研究中，第一个证实了「常温常压超导体」理论可行的。
在论文提交之后，作者第一时间发推：论文 drop 了，可以睡会儿了。
论文题目为《Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite》。
论文链接：https://arxiv.org/abs/2307.16892
方法概览
本次实验使用了 Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) 进行了所有密度泛函理论（DFT）计算，这是一个用于量子力学计算的软件包。考虑到 Cu-d 态的低定位，实验应用了 Hubbard-U 修正。实验还测试了 2 eV 到 6 eV 之间的 U 值，发现实验结果与所有计算值的结果都相似。正文中的结果是 U = 4 eV 时的结果，该值给出的晶格参数与实验结果相差 1%。
下图 1. (a) 为铅磷灰石结构，如正文所述，具有两个不等价的铅位点。O 或 OH 列位于 Pb (2) 六边形结构所定义的中心列中。Pb_10 (PO_4)_6OH_2 的计算电子定位函数。Pb (2) 周围的氧根受到孤对的排斥。
图 1。
下图 2 (a) 的铅磷灰石结构，显示了 9 个配位的 Pb (1) 位。b) Cu 取代结构显示了六配位的 Cu 和 Pb (1) 位点，具有扭曲的三棱柱配位，两种不同的键长，上下三角形之间 24 ◦ 的刚性扭转。右侧是 Cu-d 9 的晶体场图。
图 2。
下图 3 为计算出的自旋极化电子能带结构（左）和相应的态密度。图左橘黄色实线表示自旋向上能带，蓝色虚线表示自旋向下能带。图右灰色阴影表示总态密度，其中粉色显示为 Cu-d 轨迹，绿色显示为相邻的 O-p 轨迹。两张图中，费米能级均设置为 0 eV。
图 3。
值得注意的是，该研究发现一组孤立的平面带穿过费米能级，最大带宽为～130 meV (见前文图 4)：
这些理论结果表明，磷灰石结构为稳定高度局部化的 Cu-d^9 态提供了一个独特的框架，而 Cu-d^9 态在费米能级上形成了强相关的平带。Pb (2) 的立体化学活性 6s^2 孤电子的核心作用体现在手性电荷密度波的形成，以及连接多面体的结构扭曲的传播。
当 Cu 在 Pb (1) 位点上被取代时，结果是一连串的结构变化，包括晶格参数减少、配位变化和多面体倾斜的改变，进而导致 Cu 周围出现局部 Jahn-Teller 扭曲三棱柱。最终形成了一组平坦不正常、半填充的孤立 d_yz/d_xz 带。
写在最后
此前，人们对于高温超导的可信度持续存疑，多个国家的实验室纷纷表示复现失败。近日，北航与中科院沈阳材料科学国家实验室有关复现 LK-99 的论文中均表示结果不理想。韩国团队则在 arXiv 上重新上传了自己的论文。
而最新的消息，重新给了我们以希望。
至少提交论文的这个伯克利实验室，不是家普通的机构。
劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL），简称伯克利实验室，是一家由加利福尼亚大学系统为美国能源部（DOE）运营的多学科研究机构。其主要的研究范围包括基础能源科学、生物和环境系统科学、先进科学计算、物质基本属性、未来加速器、可持续发展的能源技术等。
从 1950 年代至今，伯克利实验室一直是国际物理研究中心之一，共有 12 名与伯克利实验室相关的研究人员获得了诺贝尔奖。
新研究的唯一作者 Sinéad Griffin，现任 LBNL 的纳米结构材料理论研究员，她于 2014 年在苏黎世联邦理工学院获得博士学位。
她的研究方向主要在于结合分析和计算方法来理解、操纵和设计量子材料的功能特性，包括磁性、多铁性和拓扑顺序，应用范围从量子信息科学到下一代微电子学。此外，她特别关注于凝聚态科学和高能物理学之间的交叉部分。
随着人们对于 LK-99 等材料的认识逐步清晰，我们或许可以更快找到验证室温超导物质的方法。
超算算出来个“孤立平带”就把一群人激动成这样？说实话我挺想泼冷水的。理论计算这玩意儿，从来都是“可能”“也许”“理论上成立”，但实验室里能不能真搞出来是另一码事。就算费米能级上的平带长得再漂亮，铜掺杂铅磷灰石的结构算得再准，那也只是计算机里的模型，不是拿在手上的超导块。韩国那边实验数据都快被扒干净了，连个完整的磁化曲线都吞吞吐吐，现在美国这边来一篇模拟论文，就成“首次证明理论可行”了？这写的啥啊，媒体比科学家还会冲。要是计算能当实验用，我早把永动机算出来了。反正我持保留态度，等哪天有实验室真复现出零电阻了再叫我，别又是个雷声大雨点小的狼来了。
论文drop了就能睡 问题是一堆人等着复现 理论再漂亮也得看实验
卧槽，刚刷到这篇，本来想直接划走的，结果看到伯克利那帮人用超算模拟出那个平的带，我他妈直接从床上坐起来了。说实话，超导这东西，我等吃瓜群众都快被溜麻了，隔三差五来个室温超导的大新闻，最后要么是复现失败要么是数据造假，整得跟娱乐圈似的。但这回吧，感觉有点不一样。 我不是搞物理的，但材料这行我沾过一点边，以前在实验室打磨过陶瓷样品，就那种铅磷灰石类似的玩意儿，知道里头的水有多深。你文章里说那个Cu-d轨道的孤立平带穿过费米能级，带宽130meV，我特意去翻了原文的图，虽然看不太懂吧，但那个能带结构真的是平的，就像被压路机碾过一样。这种平带确实不正常，正常的材料能带都跟心电图似的上下跳，平带意味着电子都懒得动，动量几乎没变，那配对起来就容易得多。 但是吧，理论说是这么说，我总觉得哪里有点不对劲。他们用的是DFT加U修正算出来的，这几个参数不同人调出来的结果能差出十万八千里。U值从2调到6，结果都相似？这事儿有点悬。我年轻时候做过一次计算模拟，为了调一个U参数折腾了仨礼拜，最后发现结果对U的依赖大到离谱，直接把我整个项目的结论给推翻了，说起来都是泪。 还有那个图里说费米能级穿过一个平带，但跟铜一起出现的还有一个氧的p轨道，你看他们画的自旋极化能带，红的是自旋向上蓝的是自旋向下，两条带在费米能级那儿几乎是简并的，但我怎么看那两条带都像是有点劈叉，中间好像隔了一丢丢缝。这种自旋极化下的半填充平带，到底是给我搞出个超导基态还是搞出个磁性基态，文章里没说清楚。这俩在凝聚态物理里可是两条路子，一个给你超导，一个给你绝缘体或者磁性。 再说那堆实验的。LBNL这个研究说到底是个理论模型，就像有人拿天文学公式告诉你哪里有颗行星，但望远镜还没对准那儿呢。韩国人那个LK-99样品，我刷推看到有人说其实是几个不同相混在一起的混合物，铜只在特定的Pb(1)位点上才能形成那种扭曲的三棱柱配位，但实验上你到底能不能控制铜只去那个位点而不去别的地方？一旦铜跑偏了，到了Pb(2)位点上，那整个电子结构就全变了，甚至可能直接给你变个半导体出来。所以复现不出来很正常，别急着说人家造假。 但我还是希望这次是真的。你别看我说了这么多质疑的话，作为一个被各种科研瓜喂过不少毒食的人，我真心希望这次能打我的脸。你要说哪儿最让我信服，其实是那个结构变化的细节。文章里提到Cu取代之后整个晶格参数减小了，配位也变了，还出现了Jahn-Teller扭曲三棱柱，这个细节特别让人舒服。因为超导也好其他量子现象也好，从来都不是说元素对就行的，而是整个晶格的协同作用，就像跳广场舞不是人齐了就行，还得步伐统一才能形成那个气场。这个结构扭曲说明他们是真的从头到尾想了一遍这个材料的物理过程，不是硬凑出来的。 不过话说回来，就算这个理论完美到天上去，从理论到实用还隔着十万八千里。就算LK-99是真的，你得先能稳定合成出纯相，然后还得能找到办法把它做成薄膜或者线材。更别说常温超导的临界电流密度，那种大面积制备下来够你喝一壶的。我记得早年有个超导材料刚出来时，理论也是无懈可击，但后来发现它的临界电流密度低到连电动车电机都驱动不了，只能用在一些极小型的传感器上，那就尴尬了。 还有一件事我总觉得有点不对劲，就是这次出来的速度也太快了。韩国人那边7月底刚发在arXiv上，8月初美国这边就直接理论支持了，这效率比我点外卖还快。虽然有人说是因为现在AI工具和计算资源都牛逼了，但一般学术论文从想法到写出来到过流程怎么也得折腾好几个月吧，除非他们早就知道这个消息提前做了准备。这个动机就有点意思了，你说他们是想蹭热点，还是真的在韩国人之前就已经注意到这个材料了？这里头的故事可能比超导本身还精彩。 总之呢，我觉得这篇文章的价值不在于给LK-99盖棺定论，而是提供了一个特别好的范例：在实验吃紧的时候，理论出手先探探路。要是后面实验组真的跟着理论把样品给合成好了，那这个超导事业可就真的要腾飞了。要是实验一直翻车，那就只能说明理论归理论，现实归现实，中间隔着的不是一层窗户纸，是一堵墙啊。但无论如何，这几年量子材料领域真是越来越有意思了，比追剧刺激多了。希望过几个月回头看这条评论，能是我自己被打脸，而不是又一场科研界的狼来了。
卧槽，这帖子我刷了一整天了，从早上那个“论文drop了”截图开始，各个群里全在转发，跟当年看美国人宣布引力波那阵子差不多，朋友圈一堆平时连电子和光子都分不清的人开始高呼“人类文明拐点到了”。我憋了一天了，想说两句。先说结论吧，憋不住了——我不太买账。不是说这论文一定是假的，或者LK-99肯定不行，而是说这一套“理论支持”被吹成实锤的样子实在太离谱了，真服了。 我还是先把这论文说人话吧。劳伦斯伯克利那个研究员，用超算算了一顿，最后得出结论：铜替换铅磷灰石里的铅之后，费米能级边上会出现一条“孤立平带”。文章里说这东西是“超导晶体的标志”。就这么个事。但凡学过一点固体物理的人，都该知道“平带”和“超导”之间不是划等号的，你有一个孤立平带——然后呢？那只是一个可能性的苗头，连充分条件都算不上。你想啊，魔角石墨烯也有超平带，人家那平带比这个还平，好几个体系都算出来有平带，但不是都能超导，甚至有的干脆就变成绝缘体了。怎么就因为你在费米能级上看到一条带，就能宣布“第一个证实了常温常压超导理论可行”？这话说给外行人听，听起来好像实验已经做完了、电阻已经归零了，实际上呢？你这连材料都还没做出来，就是拿超算算了个模型。真行。 而且说真的，VASP算出来的东西，尤其是加了Hubbard-U修正的那种，你说它是“证明”还是“猜谜”更合适啊？搞过第一性原理计算的人都知道，DFT这玩意说白了就是套个近似，算出来一个东西，你得拿实验数据去对着调参数。尤其这个Hubbard-U，你看文章里自己都写了，U值从2调到6，结果都差不多，然后正文用的是U等于4的结果。这意思是啥？意思就是这结果对参数不敏感，算是个稳健的特征。但你要这么说，那U本身也是个经验参数，不同体系你都不知道它到底准不准。你拿一个近似理论，再用一个可有可无的参数，去给一个还没被复现的实验材料圆场子，这不是“掐指一算”是什么？超算掐指一算，感觉有戏——这个副标题倒是真的很诚实，既然你自己都说“感觉”，那咱们就止步于感觉行不行，别直接让全世界高潮。 还有那个“孤立平带穿过费米能级，最大带宽为130 meV”，我看了半天不知道该怎么评价。130个毫电子伏的带宽，你要说是绝对意义上的“扁平”，也没那么扁平。你不能光看不带宽度，你得看它跟其他能带的耦合，还有这个平带到底是二维的还是三维的，费米面什么形状，载流子有效质量多少。论文里这些细节全都藏在那些花花绿绿能带图后头，我只看到一个结论性的口吻：这材料有这个平带，所以你们别质疑了。哎，这不是证明，这是辩护啊。 再说那个Cu-d9态。这个我真的是看了半天，忍不住要骂一句。铜氧化物高温超导里也是d9构型，这个没错，但是d9构型不是超导的充分条件啊，很多铜的氧化物是反铁磁绝缘体，你想让它变超导还要掺杂、还要载流子浓度恰到好处、还要磁有序被打掉，当年为了搞明白铜氧化物超导死了多少脑细胞，到现在还没完全说清楚呢。你现在把一个铜原子扔到铅磷灰石里头，算出一个孤立的d带，然后就说“稳定了高度局域的Cu-d9态，形成了强关联平带”——那又怎么样呢？强关联体系里平带多的去了，莫特绝缘体本身就是强关联的典型产物，你算出来的这个“平带”说不定性质上更像一个局域磁矩的温床，更像一个电荷密度波的驱动程序，而不是超导的来源。文章里自己还提到了“手性电荷密度波的形成”，我就真服了，电荷密度波这玩意儿日常就是跟超导抢电子的，它俩经常是竞争关系。你说这算证明哪门子超导啊。 更别提现在韩国人那边实验本身还一地鸡毛呢。你说你有理论支持，那你倒是把实验端出来啊。韩国那个团队，我就问一句：零电阻呢？哪怕你只测到一个很低很低的电阻也行啊。到现在我看到的消息都是什么“样品表现出抗磁性”“视频里能悬浮一部分”，还有人说那个悬浮是“半悬浮”，一个边翘起来一个边吸住，看起来特别像什么东西的磁响应，具体是什么都说不清楚。按理说，你做了这么多年材料，测个电阻不难吧？测个磁化率曲线也不难吧？把数据公开出来让全世界看看，是不是有那个教科书一样的跳变？现在啥都没有，就一段模糊的视频在那来回播，然后跑出来一篇理论论文说“可行”，这不是本末倒置吗。老话说得好，实践是检验真理的唯一标准，实验结果都还没验收，理论先跑出来抢功，真就是科学界版“PPT造车”。 说道理这东西，我还要多说两句。理论计算的门槛说高也高，说低也低。以前你要算个能带，还得自己写程序，现在好了，VASP一跑，GUI一开，喂进去一个晶体结构，能量、能带、态密度全给你吐出来。坐在办公室喝口水，论文又出一篇。我不是说这项工作不严谨，它肯定是下了功夫的。但问题是这个工作建立在“LK-99的晶体结构就是那样”的假设上，你算的是一个理想的晶体模型，而实际上韩国那边做出来的玩意儿里面可能各种杂质、各种缺位、各种相混在一起，说不定你算的这个铜替代铅的构型在真实样品里只占百分之几的比例，剩下的都是别的乱七八糟的东西。你拿一个梦幻模型说得天花乱坠，现实材料表示：我根本不是你说的这个人。 好了，现在说说我自己的傻逼经历吧。前阵子韩国那个论文刚出来的时候，我也是半信半疑，但架不住氛围到了，朋友圈全在喊“室温超导来了，人类要进入新纪元了”，我当时脑子一热，真跑去买了几手超导概念股。我当时想的是，要是这玩意儿真成了，那电力传输、核磁共振、量子计算、悬浮交通，全得翻天覆地，现在不抄底更待何时？结果怎么样？当天冲进去，第二天就开始绿，后来韩国那边数据被扒皮，说论文里有个电阻数据曲线像是伪造的，老子直接懵了。股票钱倒是不多，亏了也就亏了，最要命的是我他妈那几天真的在幻想，要是这玩意儿成了，咱是不是就能搞出戴森球了，文明评级直接从0.7跳到1.0，宇宙飞船都指日可待。结果呢？飞船没等来，等来了一根大阴线。打那以后我就明白了，这种“见证历史”的时刻，十有八九都是韭菜收割现场。打那次起，我学乖了，我管你论文发arXiv还是发Nature，管你推特上多少大佬连夜说“重大突破”，一律先当乐子看，手里捏着瓜子，嘴里喊着：快！再表演一个！反正我不再掏一分钱了。 说到推特上那些“第一时间看过论文表示这是一个重大发现”的人，我可真笑了。你第一时间看完一遍就能看出“重大发现”？你知道现在一篇凝聚态物理的论文里头有多少坑吗？我给以前的老板干过杂活，整理过一些计算数据，有些论文从投稿到发表要反复折腾一年多，审稿人意见一套一套的，很多人连支撑信息都没仔细读就敢发表评论。推特上那帮人，物理博主也好，投资人也好，很多连DFT和DTA都分不清楚，就敢转发说“实锤了”“稳了”。我承认有些人是真懂行，但真懂行的人不会只看一遍就算数，他们至少会调出来原始数据、检查一下计算参数，然后再下结论。可你看那些转发的，哪个像是干过这种事的样子？基本上就是“卧槽，有论文支持，那就是真的”，这不跟玩狼人杀听风就是雨一样么。 还有说“第一个证实了常温常压超导体理论可行”这个句式，我一看见这句话就头疼。什么叫“第一个证实理论可行”？严格来说，“可行”这个东西没法被一个计算证实，计算模型你只能给出一个“self-consistent”的图像——就是“如果你给我这样一个结构，我会给你这样一个电子结构”。这离“可行”还差了好几个量级好吧。就算你算得漂亮，你仍然没说清楚为什么是超导，而不是密度波或者别的什么基态。平带是这个体系的一个特征，但绝不是全部。超导这东西，要求电子配对，要求凝聚，要求有能隙，要求有迈斯纳效应，你光给一条平带，剩下的配对机制全是猜，那这“理论可行”四个字说得也太大了吧。这就像人家问你“你能造出永动机吗？”你说“我画了一个没有摩擦的轮子，所以理论上可行”。离谱，真离谱。 我也不是说这篇文章没有任何价值，认真讲，LBNL那个组做的这个模拟确实给那些做实验的人指了一个方向：你那个铜到底应该放在哪个位点上，取代哪个铅，什么样的配位环境会对超导更有利。这些信息很有用，甚至以后要是真做出来了超导，回头看这篇论文可能还是很重要的一个基础。我承认，至少证明这个掺杂思路不是什么天方夜谭，结构上说得过去。但“说得过去”和“已经证明”之间差了一万个重复实验，这个道理应该不难懂吧？ 我再讲个生活里的小事，你看那些卖减肥药的说“临床研究表明，某某成分能加速脂肪代谢”，听着挺科学的吧。但你要是仔细看，他们做的都是体外实验，拿个脂肪细胞在一个培养皿里泡了药水，然后报告说“脂肪减少了”，实际在人身上有没有用？天知道。我觉得咱们看这个论文，也是这么个道理。你在算一个单晶理想结构里看到一条平带，你就说“超导可期”，那跟拿培养皿里的脂肪细胞说“你能瘦十斤”有什么区别。我是真觉得，在没有实验复现、没有零电阻数据之前，所有“重大突破”的标题都应该打个问号，不然人类已经“见证历史”多少次了，你知道不？光是这两年，室温超导的新闻我都数不过来打了多少次脸了。上次那个罗切斯特大学的迪亚斯，还说在近常压条件下发现了室温超导，结果呢？实验复现不出来，论文后来被Nature撤了，连数据都被人质疑是编的，最后连工作都没保住。这才过去多久，大家就全忘了？一看到“常压”两个字又开始颅内高潮了？不长记性啊朋友们。 哦对，还有那个作者发的推——“论文drop了，可以睡会儿了”。这种语气我真的服气，一股子“我今天在游戏里上分成功了”的感觉。你说你是科学家，你刚提交了一篇可能改变物理学基础的大论文，你的反应是“可以睡会儿了”？你难道不应该在提交之前反复检查，提交之后继续跑更多验证，紧张得睡不着才对啊？你这一副如释重负去补觉的样子，我怎么越看越像蹭热点的呢。当然了，可能人家老外就是这种随性的表达方式，也许意思是“终于发出来了，老子熬了几个通宵，今儿能踏实睡了”，那你也不能怪我不往好处想吧，毕竟这年头学术圈的瓜真是太多了，什么夸张炒作没有啊，动不动就“重大突破”“改写教科书”，最后撤稿的一抓一大把。 行了，说了这么多，其实我立场很清楚：我是中立偏质疑的。我既不认为LK-99一定是假的，也不认为这篇LBNL论文就能把这事给坐实了。我更倾向于认为这是一次比较认真的理论探索，但离“常温常压超导被证明”还差着老远呢。可能最后结局是好的，可能最后是一场空，但现在就这么激动，我觉得真没必要。你要真想证明，很简单，把样品寄给世界上几个实验室，让他们拿仪器测一测，零电阻、完全抗磁、临界场、同位素效应，一套流程下来要是全都能对上，我当场吃键盘都行。可问题是他们到现在连个像样的数据都没有，光靠一段磁悬浮视频和一篇理论文章，就想让全世界科学家围着你转，这不是科学，这是行为艺术。 最后说句得罪人的话，我看到好多人在评论区已经开始讨论“以后电费不要钱了”“飞机用超导磁悬浮了”“星际航行要实现了”，我真的很想说，朋友，你先看看你家电网连分布式光伏都还搞不定呢，就算明天超导材料免费送你一吨，你还得解决制冷、线缆、接头、保护、加工，工程上的事一堆一堆的，哪个不比发现超导更容易卡脖子？别急，路要一步一步走，科技也不是靠吹出来的。再说了，就算这玩意儿最后真能超导了，能做成大规模线材吗？能低成本合成吗？稳定性如何？会不会几个月就氧化了？这些都是现实问题，论文不可能告诉你。 行吧，我这话说得够多了，我就是看不惯那些连论文都没读完，就已经在畅想殖民火星的人。你们喊吧，我先把瓜子磕完，等真正的零电阻数据出来了再叫我。到时候我保证第一个认错，把自己之前骂过的每一句话都吞回去，然后跪着说“爸爸牛逼”。现在嘛，我只想说：安静，别吵吵，让子弹飞一会儿。