物理界炸了！此前Nature論文曾被撤稿，今又宣布爭議性超導體

當地時(shí)間2023年3月7日，在美國內華達州拉斯維加斯舉行的物理學(xué)會(huì )年會(huì )上，羅切斯特大學(xué)助理教授Ranga Dias郎加·迪亞士發(fā)表了題為《極端條件下的物質(zhì)：靜態(tài)超導實(shí)驗》的演講”并聲稱(chēng)他和他的團隊創(chuàng )造了一種可以在室溫和接近大氣壓力下工作的超導體。

這是一場(chǎng)座無(wú)虛席的演講，開(kāi)場(chǎng)前15分鐘就已經(jīng)人滿(mǎn)為患，安保人員不得不上前阻攔更多想要入場(chǎng)的觀(guān)眾。

據迪亞士介紹，這是一種由氫、氮和镥組成的新材料，可以在室溫和不太高壓的環(huán)境條件下表現出超導性。

在一項相關(guān)實(shí)驗中，他和他的團隊將純金屬镥和氫氣、氮氣放置在一個(gè)可以產(chǎn)生高壓的裝置中，稱(chēng)為金剛石砧（金剛石砧的核心是兩顆對齊的金剛石，兩顆金剛石之間的狹縫中產(chǎn)生極高的壓力），然后通過(guò)改變壓力，他們可以測量新材料中的電阻。該材料在約 21°C 和 294 開(kāi)爾文 (Kelvins, K) 的條件下表現出超導性。

迪亞士在演講中說(shuō)：“我們在碳質(zhì)硫化氫中發(fā)現的室溫超導性表明，三元或更大的體系可能是實(shí)現更高轉變溫度和室溫超導性的關(guān)鍵?！?“對于實(shí)際應用來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)一種新型材料體系的誕生?！?/span>

圖 | Ranga Dias（來(lái)源：資料圖）

就在迪亞士公布結果后，當地時(shí)間3月8日，相關(guān)論文的題目是《氮摻雜氫化镥中近環(huán)境超導性的證據》“Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride” 發(fā)表于《自然》。Nathan Dasenbrock-Gammon 內森·達森布羅克-甘蒙是第一作者，Dias迪亞士是通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Nature）

迪亞士在論文中說(shuō)，他制備了一種由氫、氮和稀土金屬镥反應得到的固體材料，可以完美地導電。在 21°C 和大約 1 GPa（1 GPa = 10 Kbar）的壓力下，新合成的化合物以零電阻傳導電流。

其實(shí)1GPa壓力還是很大的，大約是馬里亞納海溝最深處壓力的10倍。即便如此，迪亞士實(shí)驗所需的壓力遠低于以往使用類(lèi)似材料的實(shí)驗（低100多倍），也遠低于目前主流室溫超導體所需的數百萬(wàn)個(gè)氣壓。

在這項研究中，迪亞士將薄镥箔放入金剛石砧座中，并向其中注入氫氣和氮氣的混合物。通過(guò)將壓力提高到 2 GPa（接近大氣壓的 20,000 倍）并將混合物在 200 °C 下加熱 3 天，空腔中形成亮藍色晶體，即使壓力下降，新合成的物質(zhì)仍保持結晶狀態(tài)。 

當壓力降至 0.3GPa 時(shí)，隨著(zhù)電阻降至零，藍色水晶變成粉紅色。在 1GPa 的壓力下，該材料可以達到 294K 的峰值超導溫度。磁性測量表明樣品可以排斥外部施加的磁場(chǎng)，這種現象是超導體的標志（邁斯納效應）。

對于這一成果，上海交通大學(xué)電氣工程系趙躍教授表示：“富氫高溫超導體（氫金屬化合物）的壓力一般在150GPa左右，1GPa已經(jīng)算很低了。但是， 1GPa的壓力在實(shí)際應用場(chǎng)景中仍然無(wú)法使用，甚至比低溫實(shí)現還要困難?！壁w躍還指出：“這一實(shí)驗結果對凝聚態(tài)物理的意義遠大于超導實(shí)用技術(shù)。新型超導材料能否實(shí)用取決于其在磁場(chǎng)下的載流能力和穩定性。因此。，這種新型超導材料要走出實(shí)驗室還有很長(cháng)的路要走?！?/span>

著(zhù)名的超導性和量子材料專(zhuān)家、澳大利亞臥龍崗大學(xué)超導與電子材料研究所所長(cháng)、澳大利亞國家未來(lái)低能電子技術(shù)中心分部主任王曉臨說(shuō)：“雖然室溫超導體遲早會(huì )被發(fā)現，但我仍然和我的同事一樣興奮并渴望重復這一發(fā)現。室溫超導將在許多方面發(fā)生變革。2023 年將是不平凡的一年。我向背后的科學(xué)家們表示祝賀這一發(fā)現，并期待在室溫超導領(lǐng)域繼續取得進(jìn)展?！?/span>

另?yè)蟮?，此前只有在極低的溫度或壓力下才能觀(guān)察到超導性，而現有的超導體需要昂貴且笨重的冷卻系統才能實(shí)現零電阻傳導。由于所需條件苛刻，這些材料無(wú)法長(cháng)期投入到無(wú)損電力線(xiàn)、懸浮高速列車(chē)和醫學(xué)影像設備等應用場(chǎng)景中。

這次的化合物是在高壓高溫條件下合成的。完全恢復后，可以沿著(zhù)壓縮路徑測試其超導性能。如果這是真的，那么這種可以在常溫下工作的超導材料可能意味著(zhù)環(huán)保超導應用技術(shù)的曙光已經(jīng)到來(lái)，也很有希望開(kāi)啟超靈敏、高效電子產(chǎn)品的革命性時(shí)代。

對于論文的發(fā)表過(guò)程，身為通訊作者的迪亞士自稱(chēng)經(jīng)歷了五輪審稿。即便如此，并非所有人都認同這一成就。業(yè)內同行認為，迪亞士應該盡一切努力幫助外部科研團隊重現實(shí)驗。

但迪亞士表示，他與他人共同創(chuàng )立的公司 Unearthly Materials 正試圖將這種新型氫化物商業(yè)化，并告訴媒體：“鑒于我們工藝的專(zhuān)有性質(zhì)和現有的知識產(chǎn)權，我們不會(huì )分發(fā)這些材料?！?/span>

這篇論文的另一位作者阿什坎·薩拉馬特 Ashkan Salamat 是拉斯維加斯內華達大學(xué)的教授，與迪亞士 Dias 共同創(chuàng )立了 Unearthly Materials材料公司?！斑@是對氫化物所做的最詳細的研究，”薩拉馬特說(shuō)。同時(shí)，他說(shuō)樣本的原始數據可以在網(wǎng)上查到，還說(shuō)在分享樣本的論文中也提供了詳細的配方，所以“大家可以繼續自己做”。

同行業(yè)的美國佛羅里達大學(xué)副教授詹姆斯·哈姆林James Hamlin對媒體表示：“如果結果被證明是正確的，這可能是超導史上最大的突破。這將是一個(gè)地球上令人震驚的、開(kāi)創(chuàng )性的、非常令人興奮的發(fā)現?！彼^續說(shuō)道：“我認為他們必須做一些真正的工作，并且真正地開(kāi)放讓人們相信它?！?/span>

加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)教授豪爾赫·愛(ài)德華多·赫希Jorge Eduardo Hirsch說(shuō)：“我懷疑（新結果），因為我不相信這些作者?！倍谏鲜鰰?huì )議上，赫希被安排在迪亞斯之后發(fā)言，上臺后，赫希當面質(zhì)疑了迪亞斯的新成績(jì)。
 
“物理學(xué)的圣杯”——超導性

說(shuō)到這里，讓我告訴你什么是超導。超導性被稱(chēng)為“物理學(xué)的圣杯”，是指在一定的低溫條件下，導體的電阻降至零的狀態(tài)。事實(shí)上，如果冷卻到非常低的溫度，許多材料都可以成為超導體，即可以無(wú)電阻地傳輸電力。一些超導體在較溫暖的條件下工作，但它們必須受到擠壓。因為它需要滿(mǎn)足一定的溫度條件，所以它的應用還沒(méi)有達到能夠帶來(lái)顛覆性變化的程度。

超導研究的歷史可以追溯到一個(gè)世紀以前。1911年，荷蘭物理學(xué)家?？恕た帧ぐ簝人梗℉eike Kamerlingh Onnes）先后測量了汞、錫、鉛在極低溫下的電導率，并率先發(fā)現了浸入液氦中的水銀的電導率。固體汞燈絲在 4.2K 時(shí)表現出超導性。

隨后的研究表明，許多類(lèi)別的材料都具有超導性，例如一些金屬合金、釔鋇銅氧化物化合物等。從此，尋找能夠在常溫下實(shí)現超導的材料成為學(xué)術(shù)界孜孜不倦追求的目標。

1968 年，英國固態(tài)物理學(xué)家尼爾·阿什克羅夫特發(fā)現，氫元素在高壓下金屬化后會(huì )變成高溫超導體。他認為以氫為主的化合物最有可能具有金屬性和超導性。

那么，此次發(fā)表在Nature上的新論文為何會(huì )引來(lái)業(yè)界的不同意見(jiàn)呢？這很大程度上是由于該團隊之前的論文被 Nature 撤稿導致。而這篇被撤回的論文一度被譽(yù)為室溫超導的“里程碑”成就。

“里程碑”論文被撤，“數據未知”的室溫超導研究引發(fā)巨大爭議

2020年10月，迪亞士團隊在《自然》雜志上發(fā)表論文，聲稱(chēng)他們首次實(shí)現了室溫超導。這篇已經(jīng)被撤回的論文，題目是《碳質(zhì)硫氫化物的室溫超導性》“Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride”，報告了碳質(zhì)硫化氫體系中的超導性，在267±10kMPa下達到的最大超導轉變溫度為15℃ 。

圖丨撤稿論文（來(lái)源：Nature）

Dias迪亞士在這篇被撤回的論文中提到，在金剛石壓砧中，在 140 至 275 GPa 的壓力范圍內觀(guān)察到了超導性，其轉變溫度在 220Gpa 以上急劇上升。此外，在三元體系中引入化學(xué)調諧可以在較低壓力下保持室溫超導性。

起初，論文投稿后，很快就被Nature接收并發(fā)表，甚至在較短的時(shí)間內獲得了大量讀者的關(guān)注。

但隨后，因為論文中的數據遭到了學(xué)術(shù)界的質(zhì)疑，很快就引起了巨大的爭議。接著(zhù)，以 Dias 為首的作者團隊對論文進(jìn)行了更正，并提供了相關(guān)原始數據，但質(zhì)疑的聲音并未停止。

比如赫希Hirsch教授在上一篇文章中就強烈表示論文中的數據非?？赡苁恰澳笤斓摹?，他甚至在預印本平臺arXiv和Physica C上發(fā)表了質(zhì)疑文章。此外，不少物理學(xué)家也對這篇論文表示了質(zhì)疑。

即便如此，作為論文作者的迪亞士依然對一切質(zhì)疑表示堅決反對。他對媒體說(shuō)：“我們堅持我們的工作，這已經(jīng)在實(shí)驗和理論上得到了驗證?！背犯逭撐牡淖髡甙⑹部病に_拉馬特 Ashkan Salamat 也表示：“我們對《自然》雜志編委會(huì )的決定非常關(guān)注。感到困惑和失望?！?/span>

然而，經(jīng)過(guò)調查，《自然》雜志于 2022 年撤回了這篇論文。需要說(shuō)明的是，這次撤稿有點(diǎn)反常，因為Nature在九位論文作者的聯(lián)合反對下，果斷執行了撤稿行動(dòng)。面對這一結果，一向持懷疑態(tài)度的赫希表示：“撤稿還不夠，這掩蓋了科學(xué)不端行為的證據?！?/span>

迪亞士Dias 最近向《自然》雜志提交了一份新手稿，該手稿在實(shí)驗中復制了碳質(zhì)氫硫化物的高溫超導性，他堅持認為這將澄清過(guò)去的指控。迪亞斯還表示，他與《自然》雜志分享了他所有的原始數據。

因此，對于迪亞斯這一次的新成就，無(wú)論未來(lái)會(huì )出現怎樣的爭議，也不管是真是假，我們都必須秉持“讓子彈飛一會(huì )兒”的觀(guān)望態(tài)度。

最后，如果這種新型室溫超導體成為現實(shí)，它幾乎可以改變所有使用電力的技術(shù)，并為電子設備、磁懸浮列車(chē)和核聚變發(fā)電廠(chǎng)開(kāi)辟全新的可能性。如上所述，只要室溫超導體能夠實(shí)現，就會(huì )帶來(lái)很多方面的變化。

內容來(lái)源：深科技