Fw: [問卦] 第三天了，常溫超導有下文了嗎？
※ [本文轉錄自 Gossiping 看板 #1anFBrsO ]
作者: Eriri (英梨梨) 看板: Gossiping
標題: Re: [問卦] 第三天了，常溫超導有下文了嗎？
時間: Sat Jul 29 19:07:31 2023
小弟也算是做過超導材料方面的研究
雖然是做理論的 平常只看過發在期刊上 經過嚴格處理過 漂亮的實驗圖表數據
沒看過發表以前的那些原始實驗數據
只是難得看到這次那麼多人關心超導 這幾天稍微掃了下文章
周末有空就在板上說些個人想法 順便給點科普
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首先 先簡單介紹超導體
超導體並不是電阻極小的導體 而是根本和導體在物理上就有本質性的不同
為什麼一般物質 無論導體或絕緣體 都一定有電阻?
因為一般物質 基本可以想成是一大堆電子各自獨立運動的集合
個別粒子運動時總是會被各種粒子或雜質所散射 於是無可避免地會有電阻
但這種單粒子組合在一起的圖像 卻不適用超導體
超導體是種宏觀的量子相干態(Macroscopic Quantum Coherent State)
沒有真正確定的粒子數 因為 單粒子圖像根本並不適用於超導體
這聽起來很玄妙...但這就是量子世界的本質
舉個更有名例子 大家或許聽過 一個電子要是處於量子態中 那麼它的位置就不是確定的
對於量子相干態而言 它實際上就處於一種不同粒子數形成的疊加態中
可以想像成 在超導體 電子因為某些原因
像是"融化"一般 失去了獨立的粒子意義 形成一個整體
於是 整個超導體的電流流動 也是一整體的
所以不會被微小的散射所影響 這就是為什麼超導體沒有電阻的原因
接下來說下超導體的歷史 以及它們在物理上的意義
超導體是1911年 在量子力學被確立前就發現的
第一個被接受的理論解釋 要等到將近五十年以後的BCS理論
BCS理論有幾個重要的元素:
1. 就是我之前提到的 超導體是宏觀的量子相干態
宏觀量子相干態在波色子中很常見
由於玻色子的統計性質 波色子在溫度夠低時會產生凝聚(Condensation)
在這種凝聚下 單粒子圖像就此消失 形成了宏觀的量子相干態
事實上 雷射也屬於光子形成的宏觀量子相干態
2. 但電子是費米子 而費米子無法單獨產生凝聚 那麼 是甚麼導致超導體中的凝聚現象?
BCS理論中認為 超導體裡 產生凝聚的是所謂的庫柏對(Cooper Pair)
而庫柏對是由兩個反方向運動的電子配對而成 和費米子不同 於是這些庫柏對能產生凝聚
3. 那麼 是甚麼導致兩個電子能產生庫柏對呢?
畢竟 電子之間是斥力 原則上似乎不應該產生配對(實際上更微妙些 但這裡不多做討論)
BCS理論給的答案是 由於電子和晶格之間作用力 導致兩個反方向的電子能形成庫柏對
有個簡單的古典圖像: 當第一個電子經過一個晶格 由於電子和晶格的作用力 擾動了晶格
這個晶格影響了另一個反方向經過的電子 等效地產生了兩個電子間的吸引力
最終形成了庫柏對
我想再提 1:超導體是量子宏觀相干態 和 2:古柏對產生凝聚而形成的宏觀量子相干態
這兩個基本上是理解超導現象的核心概念 不只是BCS理論而已
想要繞過1和2去構造超導理論 不太現實或不太符合其他實驗
大多數理論都是關注於如何產生古柏對
總之 BCS理論非常漂亮地解釋許多超導現象 甚至 不只是如此
BCS理論直接啟發了後來自發對稱破缺和希格斯機制的概念 後者是現代高能理論的核心
但是 依然有很多超導體是無法用BCS理論解釋的
其中最有名的 大概是銅氧體系超導 一般大家印象中的高溫超導 常常就是銅氧超導
銅氧體系超導 當初是個超乎意料的發現 因為這個體系的超導
是將本來是絕緣體的材料 做電子或電洞的參雜 最終形成超導
你可以想像: 本來應該是絕緣體的材料 為何突然間就形成超導?
這背後的物理至今依然沒有共識 但帶出來很多豐富的研究和想法 篇幅有限 就不多細講
但我想說的是 很多人以為沒有理論能解釋高溫超導 這句話不算很精確
因為 如果單獨只有超導部分的話....理論其實還不算少
高溫超導真正複雜的地方 是包含超導在內的整張相圖(如下圖) 而不單只有超導本身
https://imgur.com/a/kqmjFqr
沒有理論能讓所有人都滿意地解釋整張相圖的現象 也沒有太多實驗手段能輕易分辨理論對錯
總之呢 自從銅氧超導被發現以來 也經過了將近四十年
這段時間並不是沒有進步 例如發現了別的體系的超導 像是鐵基超導
不管怎麼說 這些超導體在常壓下的臨界溫度 離常溫看起來的確還有不小的距離
這自然也是為什麼 這次的LK-99那麼多人關注
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那麼 終於可以回到大家最有興趣的 韓國團隊這次的LK-99 到底是不是超導?
至少我不能提供答案 而且...我懷疑 目前也沒有人敢斬釘截鐵的回答
畢竟 那些新的超導體系 常常是由不專門做超導的人所發現的
這麼說有點誇張 但超導的歷史的確包含著許多的打臉史
不真的做實驗 是沒有人能夠百分百確認的
但我還是可以給些關於超導實驗的科普 以及個人看法
各位當作是我個人偏見就好了 不必太在意
確認超導體所需要的實驗 往往至少需要以下幾個
1. 電阻對溫度(R-T)曲線
理想上 R-T曲線在臨界溫度以下是0 然後在臨界溫度有個不連續的跳躍 長這樣
https://imgur.com/AchTVk5
實際上當然不一定會那麼理想 不一定直接掉到0 而可能會有個很小的區間降到極小電阻
論文中的R-T曲線是這樣 的確在攝氏127度附近 有個從很大電阻跳到較小電阻的
https://imgur.com/a/58ZIiIg
但那個較小電阻...其實不是真的很小 而且維持很長區間 然後到攝氏60度左右才掉到更小的值
這種降到極小電阻的方式 不太像超導
但反過來 同樣的...我暫時想不到太多
其他能解釋從高溫到低溫 電阻突然從大跳到小的相變
2. 磁化率對溫度
相信大家最耳熟能詳的超導體特徵 所謂的邁斯納效應(Meissner effect)
這效應最直觀的表現就是磁浮 這個磁浮是由於超導導致的抗磁性而產生
但其實抗磁性甚至是磁浮 只是超導的必要條件 不是充分條件
室溫下能夠磁浮的非超導抗磁性物質是存在的
但這兩者的機制畢竟是不同的 是可以透過測量磁化率來判別的
首先是 一般的抗磁性 磁化率對溫度的變化是連續的 而超導體在臨界溫度會有個跳躍
再來 某些(type 2)超導體 外加磁場會造成磁渦漩 破壞一小部分的超導
所以在沒有外加磁場(ZFC) 或有外加磁場(FC)情況下 測量磁化率的過程 得到曲線不同的
原則上type 2超導體的磁化率對溫對曲線應該是長這樣
https://imgur.com/akDQXd9
在臨界溫度以下 ZFC和FC是分岔的 接近臨界溫度時有個跳躍 臨界溫度以上則是相對平坦
在文章裡 雖然ZFC和FC看起來的確在臨界溫度下有分岔 但不知道臨界溫度以上的行為
https://imgur.com/a/IfxHip4
這種分岔也可能有其他未知來源 甚至可能來自測量背景值的誤差
3. 比熱
由於超導是種相變 比熱在臨界溫度時應該會有不連續的變化
https://imgur.com/a/hyEA6r7
如果說上面兩個測量 多少還有點超導的跡象 那比熱大概是最不像超導
這個前幾天有板友提了
https://imgur.com/a/Z1AS2Lq
我或許可以幫忙試著找點理由 比起電磁性質 熱性質可能比較微妙 來源不一定只有電子
考慮到臨界溫度超過攝氏一百度以上 其他自由度(例如晶格)也有可能對比熱有貢獻
所以想獨立看到超導相變造成的比熱變化 說不定需要更詳細的實驗方法
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總之 我的個人心得是 從這篇文章給的數據...乍看起來的確有些看起來像超導的跡象
但文章的數據和圖表 都存在很粗糙的地方 這不是很好的徵兆
因為可能有些看起來像超導的跡象 是來自實驗或數據處理的疏忽
考慮到...這畢竟不是正統實驗室 加上似乎團隊有內鬨
而且 這是個臨界溫度超過攝氏一百度的超導 某些實驗手段可能沒那麼方便
那也不是完全不能理解
反過來想 另一方面 同樣的也還沒有證據證明這"不是"超導
比起文章品質...我個人不太相信的原因 主要還是 考慮到電子的性質和能量尺度
常壓下攝氏一百度以上電子宏觀量子相干態...真的是超乎想像
作者花了些篇幅提供超導的來源機制 但我覺得他們的理論解釋 只是讓我覺得更不太合理
而且他們嘗試用一些過去的理論 去解釋常壓下臨界溫度攝氏一百度的超導
終究也沒太大的必要 畢竟 他們宣稱發現的超導 要是成真的話 是如此超越常識
綜觀超導體的歷史 都是實驗驅使新理論的誕生 理論其實的預測能力有極限
要是LK-99最後證明真的是常溫超導 那肯定會驅使並幫助 物理學家探索新的超導機制
但我還是希望 無論是不是這次的LK-99 有一天終究會發現室溫超導!
畢竟 材料世界的複雜度和可能性 終究還是超過人類目前經驗和理論的邊界太多了
這也是為什麼 就像我提的 雖然這篇文章很多很粗糙的地方
但還是有些平常認真做超導研究的實驗組 願意真的花時間和資源來做實驗驗證
我也知道大家都很期待早日知道結果 但從生長樣品到完成數據整理 真的沒那麼快
即使考慮到原作者說製作起來不難 但也不是三四天內就能做完所有分析 給出肯定答案
畢竟 無論是實驗量測 或者數據分析 都需要仔細處理去掉其他變因 才能得到真正的答案
至少我目前沒看到很肯定 到底是或不是超導的實驗結果
也沒聽到甚麼可信的消息源有答案
倒是看到很多消息被不精確翻譯或理解 而失去了原意 或者根本不知消息的來源
還是靜觀其變 至少再等一到兩個禮拜再來判斷吧
--
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