室温超导又来了?这次该怎么吃瓜?

来源:微信公众号“中科院物理所”

2023-07-27 21:32

7月27日,微信公众号“中科院物理所”发表文章《室温超导又来了?这次该怎么吃瓜?》。

截图自微信公众号“中科院物理所”

以下为全文内容:

前几天,韩国一个研究组发表了一篇论文[1],宣称实现了临界温度超过400K(约127℃)常压室温超导。

这个消息过于炸裂,是真是假一时间众说纷纭。其他研究组的实验已经在路上,很快重复实验就将揭晓谜底。

超导领域最近的新闻是真不少,先有美国迪亚斯在三月份搞了个大新闻,后有韩国科学家直接合成出400K超导材料。中间还有我国科学家实现液氮温区超导。没办法,谁叫超导是物理顶流呢?

如此乱花迷眼的超导新闻,普通人却只能对着论文里的图表发愣。看着热搜里大v分析得头头是道,动辄收获成千上万个赞同,我们只能喊声“太酷辣!”

这样吃瓜实在太不优雅了!今天,小编就作为超导实验的“行内人”,跟大家聊聊如何发现超导论文里的小细节,不学量子力学,也能像内行一样,优雅吃下这个室温超导的瓜。

超导论文里会写啥

超导究竟是什么?这个问题许多科普文章已经回答过了:它是物质的一种特殊状态;它有两个最主要的指标,分别是临界温度和临界磁场。超导体电阻为零,可以无损耗地输电;它有完全抗磁性,液氮超导磁悬浮就是很直观的表现;它可以很方便地按照电磁感应定律产生强大的磁场,用来做医院里的核磁共振……但是,科普文章之外,科研人员究竟在研究些啥?他们写出来的论文又会体现哪些成果呢?

尽管超导已经是物理学一个很细的分支了,但它还能分成更细的研究方向:超导材料与物理性质、超导机理、超导奇奇怪怪的实验、超导应用……能上头条新闻的主要是发现新的超导材料并测定简单物理性质,主要是为了告诉大家“我合成了一个新的材料,它超导,测到的临界温度和临界磁场分别是X和Y”。

超导体可以测量的物理性质有很多,其中最不可或缺的就是电阻率随温度的变化和磁化率随温度的变化,对应着超导的两个基本性质零电阻性和完全抗磁性。电阻我们在中学就已经学过。当超导材料从临界温度Tc以上降温时,电阻(或者说电阻率)会在Tc突然降低并很快变成零。

一个典型的超导转变处电阻突变 [2]

磁化率反映的是材料对外界磁场的响应,是一个无量纲量。当外加一个磁场H(单位是Oe(1 Oe=10-4T)),材料就会显示出一个磁矩M(单位emu)。磁化率χ=M/H。超导材料表征一般用体积磁化率χ=M/(H·V),如果体积不好测量也会用质量磁化率χ=M/(H·m),其中体积单位是立方厘米,质量单位是克。

由于完全抗磁性的存在,超导样品磁化率随温度的变化与施加外场的时机关系很大。因此测试的时候一般会测两条曲线,一条叫场冷曲线(field cooling,  FC),另一条叫零场冷曲线(zero field cooling, ZFC)。高亮的颜色就对应着下面图里相应曲线的颜色。在临界温度Tc以上,ZFC和FC曲线基本重合;在Tc处,从高温到低温ZFC曲线会有一个明显的下掉,而FC曲线基本是平的。因此Tc以下两条曲线会有分叉。对于纯的超导样品,这个差值Δ χ=-1/4π,如果有杂质,这个差值会变小,用实际差值与理论差值简单做个除法就可以算出超导的体积或质量分数。

一个典型的超导转变处磁化率分叉[2]

除此之外,一般的超导材料测试还会包括比热,就是初中物理那个“水的比热容为4.18J/(g·K)”的比热容。仅有的一点区别是将质量比热改成了摩尔比热,单位成了J/(mol·K)。测量比热是因为材料从正常态降温进入超导态会有一个相变,反映在比热上就是Tc处的比热跃变。具体来说,比热随着温度降低而下降,在Tc处会向上跳一下,然后继续下降。

一个典型的超导转变处比热跃变[2]

所以,一般来说,发现新超导材料的论文会长这样:开头介绍研究背景,主体部分首先会介绍合成出来的材料结构以及确定结构的依据,比如电镜、能谱和X射线衍射之类。材料合成方法不是必选项,多数作者会选择写出合成的条件,但更关心物理而不是材料的作者也时常会省略。

接下来论文会展示磁性,也就是磁化率随温度的变化,这里就可以看到超导的临界温度了。后面是电阻、比热。由于外加磁场会影响电阻随温度的变化,所以一般会测很多条电阻-温度曲线,在不同磁场下测量电阻随温度的变化。随着磁场越加越大,超导逐渐被压制,电阻的突变也越来越小。等电阻不再下掉的时候对应的磁场就是临界磁场了——当然,有时候也会偷懒(bushi)少测几条线,然后拟合外推。

到现在,必须展示的内容基本就结束了。全世界的其他研究人员看到结构,又看到磁化率、电阻和比热,就会认可这是一种新的超导材料,开展后续的验证和实验。有时候论文作者还会加入一些其他的性质或者计算,开展更详细的讨论,这就丰俭由人了。

论文的彩蛋怎么看

虽然写论文最令人头疼的是写文字,但是看论文吃瓜只需要看图就行了。图片加上图注信息就足够我们看出论文想要表达的主要内容。好的文章,几张图一列,大家就会认可、引用;坏的文章,就算图片处理得再好也不会被认可。粗看过去大家的图片差不多都长一个样子,但玄机总藏在细节里——

01 晶体结构

目前发现的超导材料都是晶体,所以超导材料论文会有一幅图展示用不同颜色小球代表的晶体结构。满足晶体平移对称性的原子排列方式并不非常多,它们可以分为七类,叫做七个晶系。根据过往的经验来看,四方晶系会比较容易出现超导。这种结构的晶胞是一个长方体,底面是正方形。晶胞中间有很多层看上去非常杂乱的原子。有些层专门提供电子,叫电子库层;有些层则是发生超导的地方,叫超导层。电子库层和超导层在迄今最重要的两个非常规超导体系——铜基和铁基超导中都不可或缺。

一种四方晶系超导体的结构[4]

02 磁化率

磁化率需要外加磁场才能测,但外加磁场会压制超导。临界磁场以下,磁场越大,超导含量越低,表现在磁化率上就是ZFC曲线在Tc处的下掉出现了展宽。小磁场下笔直掉下来的磁化率,到了大磁场下可能就要多降些温度才能有同样强度的信号。如果在几个不同磁场下磁化率的转变都同样锐利,那么要不这个材料的临界磁场远远大于测试施加的磁场,要么就是测试或数据处理过程中出现了异常。

03 电阻

在小编眼里,超导材料的电阻测试数据最有趣。超导体的名字“超级导电”其实就是指的零电阻性。所有宣称自己发现了超导材料的论文都会放一张电阻-温度曲线,形状也都大同小异:随着温度不断降低,电阻在Tc突然下掉直逼零点,然后很快变平。关键是,电阻真的到零了吗?

电阻变成零意味着样品中超导的部分连接成了一条通路,像一根导线一样连接起了正极和负极。但是,许多制备得不好的样品并没有形成这样的通路,它们的电阻依然会有一个明显下掉,但不会到零。这时候数据的说服力就会大打折扣:你样品电阻都没到零,怎么能说是“超级导电”呢?一点都不超级嘛。所以,常压超导体几乎只有严格的零电阻数据才能被放进论文里;而高压下产生的超导,受到实验条件的限制,要求会稍微放松些。即使没有严格的零电阻,只要有电阻的突然下掉,大家也会认可超导存在。

04 哪里去辨什么真共假?

测试的时候样品当然不是靠原力控制进行测试的,总需要一些辅助结构。测磁化率时需要样品杆固定样品;测电阻和比热的时候需要样品托、需要连接电极、需要用胶固定样品。这些辅助结构都会带来测试的背底信号。在论文中通常会将背底信号扣除,来更直观地表现样品本身的性质。

但是,扣背底是个技术活,技术不好的作者有可能会在扣背底的过程中引入新的误差。这种障眼法破解起来很简单——看原始数据。原始数据有时会在论文附件中一并提供,去翻一翻网页就可以了。现在很多作者会在预印本网站[3]传一份初稿,来确认自己先来后到的位置。这些预印本网站免费公开,用家用电脑直接查就可以。

样品不同的物理性质也不是互相独立的,我们大可以连起来看。如果一块样品的零电阻测得很完美,但磁化率却杂乱无章,那肯定有猫腻。要是测到的性质不全,那问题可能更大。

05 总结一下,如何吃瓜

到预印本平台看第一手文献不用看那么长的文字,看清楚图就好。看几个基本的性质有没有测全看不同磁场下磁化率的下掉有没有展宽,顺便估算一下超导体积分数看电阻最低点有没有到零看不同的性质是否匹配找找原始数据

有了这些技巧,聪明的你要不要去看看室温超导的原始论文,自己来判断一下真假呢?

所以这次韩国的室温超导——?确实不好判断真假。从线上到线下,信任文章结果和质疑超导真实性两方的声音都很大,双方都列出了很多论据,而且互相不能说服。这些真真假假,留待众多德高望重、浸淫超导多年的老师用实验数据评判吧。小编的道行太浅,虽然心有倾向,但总看不穿眼前的迷雾。

不过,这次室温超导的真假并不难验证。按韩国作者的说法,最快三天就能制备出一批样品。全世界已经有很多研究组在快马加鞭了。大概下周,初步的验证结果就可以公布。如果是真的,超导领域将会天翻地覆;如果是假的,这个闷热的夏季就又多了一件吃瓜的乐事。小编和大家一起搬好小板凳,拭目以待~

参考文献:

[1]arXiv:2307.12037

[2]Inorg. Chem. 2022, 61, 27, 10267–10271

[3]https://arxiv.org/list/cond-mat.supr-con/recent

[4]郭琦,类铁基 122 型LaM2As2(M=Fe, Ru, Ni, Pd)体系的超导探索研究

责任编辑:王濛
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