西北大学教授魏颢简介（西北大学教授）

来源:DeepTech深度科技

2023年7月下旬，自从韩国学者在预印本平台arXiv上发表了一篇关于“室温超导”的论文后，立刻在凝聚态物质领域，尤其是超导研究领域引起了极大的关注。

中国西北大学物理学院司良教授根据韩国学者论文(以下简称“韩国论文”)提出的LK-99材料，分析了其晶体结构，构建了其化学成分。

(来源:arXiv:2308.00676 (2023))从目前的理论结果来看，LK-99系统在没有掺杂的情况下将是Mott绝缘体。因此，电子和空穴掺杂都会导致从绝缘体到金属的转变。在实验中，这可以通过调节每种元素的浓度来实现。此外，样品中多余的氧原子或残留的硫原子也会引入掺杂效应和金属相变。

司亮说:“我们发现，虽然这种‘额外’的氧在真实空间中距离铜离子很远，但它们在能量上是接近的，然后就可以形成铜氧杂化。”

那么，用硫(S)代替磷(P)还是氧(O)更好呢？对此，司良表示:“硫的最外层有6个价电子。从这个角度来说，和氧气差不多，所以有替代的可能。如果向系统中引入额外的硫，或者引入硫来代替磷，将会引入额外的空穴或电子掺杂。理论上会导致金属态，甚至超导态。”

值得一提的是，铜和氧的轨道杂化对于氧化铜高温超导体中超导电子结构的形成也非常重要，会导致氧化铜高温超导体中电荷转移绝缘态的形成。因为司良认为这种“额外”的氧气可能起着非常重要的作用。

至于空穴和电子掺杂，哪个表现会更好？目前无法给出答案，只能等待后续的理论研究和实验研究来回答。

另外，莫特绝缘体是什么？它的能带结构有什么特点？莫特绝缘体是一种由强电子相关效应驱动的具有绝缘状态的材料。对它的研究起源于20世纪70年代，两位科学家发现，在能带理论计算中预言为金属的许多材料在实验中表现为绝缘体，这表明存在当时没有发现的物理自由度。

随后，另外两位科学家通过强关联效应解释了这种金属-绝缘体现象。他们指出，莫特绝缘体中的金属-绝缘体相变是由于系统中部分填充的D或F轨道，这些轨道通常局部分布在原子核附近，导致电子之间产生强烈的库仑相互作用，极大地限制了电子向已有电子占据的晶格跃迁，进而导致轨道分裂，导致系统打开能隙，因此表现为绝缘体而非金属。

从能带理论的角度来看，对于这类系统，在费米面附近存在一个相对较窄的由D或F轨道组成的部分填充能带。考虑到电子的强关联效应，这部分能带会分裂形成莫特绝缘体。

过渡金属氧化物中的过渡金属通常含有部分填充的D轨道，因此这类材料中存在多种Mott绝缘体。

用Mott绝缘体连接超导材料母相的想法源于对二维铜基超导体的研究。在铜基超导体中，对于没有电子/空穴掺杂的母体，铜离子处于2+的价态，D轨道被9个电子填充。在费米表面附近有一个单一的能带，它是铜的dx2-y2轨道和氧的px/py轨道的混合，并且这个单一的能带只填充了一个电子。根据能带理论，这种系统是非磁性状态下的金属。

而铜的D轨道的强关联效应会引起能带的分裂，系统也会变成Mott绝缘体。在掺杂电子和空穴的情况下，电子会形成玻色子型的库珀对，然后在低温下产生超导态。

那么，掺杂会如何改变化合物的电子结构呢？对于凝聚体系，组成原子的种类、比例、晶体结构和外界条件决定了材料的电子结构和其他物理化学性质。

其中，不同的原子会带来不同的晶体结构和电子填充数。例如，H的1s轨道只有一个价电子，因此两个H原子倾向于结合形成一个氢分子(H2)。

在氢分子中，来自两个H原子的电子将占据成键轨道，从而使系统更加稳定。而氦的1s轨道上已经有两个价电子，所以它的性质比较稳定，所以被称为惰性气体。

在Mott绝缘体中，电子的强关联效应会引起轨道分裂，导致金属-绝缘体相变。但掺杂电子或空穴会导致费米表面出现新的电子态，系统会从绝缘体转回金属态。随着这类金属的转变，通常会带来其他意想不到的新奇物理状态。

比如铜基超导体矩阵中，基态是反铁磁莫特绝缘体。更准确地说，由于费米表面O-p轨道的组成，空穴掺杂将首先占据O-p轨道，因此该系统是电荷转移绝缘体。

少量的电子或空穴掺杂(~ 5%)会带来从反铁磁到顺磁性、从绝缘体到金属的转变，进而在低温下在体系中形成超导库伯对。

司亮及其合作者这次发现的一个很有意思的现象是，系统中的铜离子和铅离子也是2+价构型，在能带计算中费米面出现了Cu-d轨道引起的平带结构，这表明系统中一定存在很强的电子关联效应，所以LK-99是Mott绝缘体。

那么，铜的平带是超导性最关键的因素吗？思良道:“未必。在铜基高温超导体中，二维氧化铜晶体结构的单带宽度约为3电子伏，可以称之为‘窄’，但绝对不是‘平’。”

相反，在很多超导体中，比如Kagome晶格超导体，都存在这样的平带结构。这导致系统中除了明显的强电子关联效应外，还出现了自旋分裂和特殊的磁结构等其他性质。

平带特性曾经在其他超导系统中扮演着重要的角色，但对于一个广泛的超导家族来说，并不能称之为最重要的因素。对于LK-99来说，目前看来平带是一个很重要的特征，这可能与其潜在的超导特性有关。

司亮的理论模拟表明，LK-99系统在费米面附近有一个平带，考虑到铜离子D轨道的强关联效应，会导致Mott绝缘体相变。因此，额外的空穴或电子掺杂会诱发系统的绝缘体-金属相变，超导态可能作为附加效应被激发。

目前已有多个研究小组对LK-99进行了繁殖实验。在其中一些实验中，出现了悬浮现象。那么，这是否意味着与计算结果不一致呢？

司亮说:“实验中观察到的磁悬浮现象可能来自于LK-99的超导态，也可能仅仅来自于系统的抗磁性。只有完全抗磁性引起的悬浮效应才能证明系统是超导体。简单来说，纯磁悬浮是超导的必要条件，但不是充分条件。从我们目前的理论计算来看，未掺杂的LK-99不存在抗磁性的可能性，所以LK-99的悬浮现象很可能意味着样品是超导的，或者样品的一部分已经是超导的。”

(来源:arXiv:2308.00676)这也与北航教授刘志起的论文报告一致。

(资料来源:arXiv:2308.00676)