完整现场视频！21℃室温超导引爆物理圈，曾被撤稿研究再登Nature

2023-03-09 02:03

机器之心报道

机器之心编辑部

若最终能够实现应用，我们就不用再担心电池没电了。

凝聚态物理学是当今物理最大、最重要的分支学科之一，凝聚态物理的「圣杯」之一就是高温超导。

本周二下午，在拉斯维加斯举行的美国物理学会（APS March Meeting）三月年度会议上，罗切斯特大学的物理学家 Ranga Dias 发表了一场座无虚席的演讲，他宣布他和他的团队已经实现了该领域的百年梦想：一种超导体，能在室温和接近常压的环境下工作。

如果谁能在室温条件下实现超导，就可以说开启了一场新的技术革命：人们对于演讲的兴趣极其强烈，以至于安保人员在演讲开始前 15 分钟就开始阻止更多人进入人满为患的房间。在 Dias 开始讲话前不久，还可以听到他们在将好奇的旁观者赶走。

Dias 等人的研究今天发表在科学顶刊《自然》杂志上，该研究成果似乎表明，一种传统导体 —— 一种由氢、氮和稀土金属镥组成的固体 —— 被转化为一种完美无瑕的材料，能够以完美的效率导电。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0

此前，人们只有在极冷的温度或超高压力下才能观察到超导性 —— 这些条件使实验材料无法用于长期、常规的应用，例如无损电力传输、悬浮高速列车和平价医疗影像设备。

而在新研究中，人们锻造的化合物成功在 21 摄氏度（69.8 华氏度，294K）和大约 1 吉帕的压力下无电阻地传导电流。这仍然是一个很大的压力 —— 大约是马里亚纳海沟最深处压力的 10 倍 —— 但它比以前使用类似材料进行的实验所需的压力低 100 多倍。

近百年科学家们在超导材料上的探索路程。

这里把作者发表演讲的完整视频奉上，看得懂的读者们可细细品味：

佛罗里达大学物理学家 James Hamlin 评价说：「如果这是真的，那么他们的研究完全是革命性的。室温超导是人们一个世纪以来的梦想。现有的超导体需要昂贵而笨重的冷却系统来无摩擦地导电。室温超导体的诞生将使得电网、计算机芯片以及磁悬浮列车、核聚变发电所需的超强导体更加高效。」

21℃，实现室温超导

这项研究中所涉及的超导形式要求电子相互耦合，形成所谓的库珀对（库珀对是美国物理学家 Leon Cooper 于 1956 年首次提出的描述在低温下一对电子或其他费米子以某一方式束缚在一起的理论）。促进库珀对形成的一个因素是与这些电子相关的原子核之间的高频振动（称为声子）。这在轻核中更容易安排，而氢是周围最轻的。因此，寻找将更多的氢塞入化学品的方法被认为是生产更高温度的超导体的可行途径。

然而，要做到这一点，最可靠的方法就是承受极大的压力。这些压力可以促使氢气进入金属的晶体结构，或者形成在较低压力下不稳定的富氢化学品。这两种方法都产生了具有非常高的临界温度的化学品，这是它们支持超导性的最高点。然而，虽然这些已经接近室温，但所需的压力是多个吉帕斯卡（Gigapascal）—— 每个吉帕斯卡是海平面大气压力的近 1 万倍。

从本质上讲，这相当于用不切实际的温度换取不切实际的压力。

然而，我们希望的是常温和常压，我们可以利用这些化学品来确定产生这种富氢超导性的一般原则，然后利用这些原则来确定在更容易维持的条件下显示类似行为的其他化学品。

研究小组将注意力集中在镥（Lutetium，原子序数71）上，因为它的电子轨道的占用应该会提供更多的电子，这些电子可能参与形成库珀对，使超导更容易实现。该研究还添加了微量的氮，以通过掺杂材料使结构更稳定，从而有可能降低所需的压力。

很明显，在进行测量之前，镥 / 氮 / 氢的混合物发生了一些变化。在环境条件下，添加这两种气体会使镥变蓝，这可能是由于氢渗入了金属。但随着压力增加到数千个大气压，混合物变成了戏剧性的粉红色，结果证明这与混合物变成金属有关。继续将压力增加到超过 30000 倍大气压，它失去了金属特性并变成了更深的红色。

近环境下镥 - 氮 - 氢的超导性压力

从 3000 到 30000 倍大气压范围内，超导性是有可能的。因此，研究人员在这个压力范围内进行测试，从而帮助找到支持最高临界温度的压力。该研究发现温度为 294 K，大约为 21°C，和室温差不多，这种材料似乎失去了对电流的阻力，前提是气压峰值大约是大气压的 10000 倍。

此外，超导性也改变了材料的磁性，并且论文中的大部分内容都讨论了测量样品的磁性。其实研究样品磁性并不是一件容易的事，考虑到样品会非常的小，而且它们往往被夹在所有需要在极端压力下粉碎样品的硬件之间。

为了弄清这种材料是什么，科学家们做了大量的工作。几乎可以肯定的是，它包含一些融入到金属中的氢和氮，但目前还不清楚有多少，因为任何多余的两种气体都可以简单地从样品中排除。研究人员试图对它进行晶体学研究，但结果有些含糊不清。氢（原子量为 1）的信号被镥（原子量为 175）的信号所淹没，而且氢有可能在该材料中移动。

因此，尽管他们确定了氢可能在材料中的位置，但并不清楚这些位置有多少被实际占据。而这将使从这种材料的行为中提取更大的原则成为一种挑战。

撤稿疑云

Ranga Dias。图源：J. Adam Fenster/University of Rochester

鉴于 Ranga Dias 研究小组最近一次撤稿事件，许多物理学家表示不会再轻易相信。Hamlin 说：「我认为他们必须做一些真正的工作，并真正开放，人们才会相信它。」

加州大学圣地亚哥分校的物理学家 Jorge Hirsch（他也是 H-index 发明者），也是该团队早期工作的批评者，甚至表达得更加直接：「我对新结果比较怀疑，因为我不相信这些作者。」

值得一提的是，Jorge Hirsch 这次 APS March Meeting 的报告和 Ranga Dias 被安排在同一个会场，前后脚上台，会方可谓凭空增添了对峙的气氛。

Jorge Hirsch（站立者）与 Ranga Dias。图片来自知乎 @芝了，https://www.zhihu.com/question/588302961

2020 年，由物理学家 Ranga Dias 领导的研究小组报告了碳、硫和氢（CSH）的微小斑点中的超导性，一度引起轰动，该小组通过将两颗金刚石尖端之间的材料挤压到数百万倍的大气压强来实现。科学家们此前已经制造出了其他富含氢的超导体，被称为氢化物，但它们必须被冷却到 250K（-23℃）或更低。CSH 在 287K 的温度下进行超导，即葡萄酒冰箱的温度。

当时，《科学》杂志对这项研究的报道标题是「终于，室温超导实现了」。

但是其他研究人员无法复现 CSH 的结果，并抱怨该研究的配方含糊不清且不完整。其他研究人员则发现该小组测量材料磁性行为的方式有问题，而磁性行为是超导性的一个关键标志。

一年后，Dias 和他经常合作的内华达大学拉斯维加斯分校物理学家 Ashkan Salamat 以 149 页文件的形式发布了原始数据，详细介绍了一种不寻常的、复杂的消除背景磁干扰的方法。这种方法与他们在原始论文中描述的程序不一致。

最终，在所有作者的反对下，《自然》杂志于 2022 年 9 月撤回了这篇论文。

那么这一次，其他实验室是否能够复制这种材料并确认其超导性？

Hamlin 说，虽然世界上只有少数几个小组能够在令人难以置信的金刚石高压砧下工作，以看到 CSH 中的超导性，但大概有几十个实验室能够在较低的镥基材料的压力体系中工作。Dias 说，过去几个月他的实验室一直在研究一种方法，将金刚石砧室完全从工艺中移除，这可以进一步加快确认这一发现。

为了让其他实验室完全复制这些结果，该小组必须愿意分享整个原始数据集以及详细的样品制备方法，或者将他们的材料样品发送给其他实验室进行测试。然而，外部访问可能达不到社区的希望。Dias 和 Salamat 成立了一家创业公司 Unearthly Materials，该公司已经从包括 Spotify 和 OpenAI 的 CEO 等投资者处筹集了超过 2000 万美元的资金。他们最近还申请了关于氢化镥的专利，这将阻止他们邮寄样品。

「我们对如何制作我们的样品有明确、详细的说明，」Dias 说。「考虑到我们工艺的专有性和存在的知识产权，我们不打算分发这种材料。」

网友怎么看？

一场会议报告之后，该消息已经在全球都引起了轰动。一个重大的科学突破会受到全世界的高度关注，那么必然也要经受住人们的质疑，对于经历过撤稿风波的 Ranga Dias 团队尤其如此。

有网友表示，鉴于这位作者之前的行为，这个工作需谨慎对待。

图源：知乎网友 @Tycho