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室温超导又来了？这次该怎么吃瓜？

时间：2023-07-29 12:47:03 来源：中科院之声 分享至：
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 。


(资料图片仅供参考)

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？（摊手.jpg）

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。

（文末有吃瓜技巧总结，可以速通正文）

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T c 以上降温时，电阻（或者说电阻率）会在T c 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 -4 T）），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T c 以上， ZFC 和 FC 曲线基本重合；在T c 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T c 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/(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T c 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T c 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T c 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~

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参考文献

[1]arXiv:

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

[3]/list//recent

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

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来源：中国科学院物理研究所

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