深陷学术不端疑云的室温超导科学家

2023-03-13 02:03

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如果罗切斯特大学Ranga Dias团队确实观察到了室温（294 K）且接近常压（1GPa）的超导性[1]，那么这项发现极可能成为21世纪最重要的科学进展之一。室温超导技术对于人类社会的巨大意义是不言而喻的，它将在电力输送、计算机处理器和医学诊断工具等多个领域掀起巨大革命。

图源：3plusx/stock.adobe.com

2020年，Dias团队在Nature发表封面文章，宣称在267 GPa、287 K（约15 ℃）的条件下实现了碳-硫-氢（CSH）体系的超导性。这一重大发现震惊学界后，旋即有大量学者质疑该研究的真实性，Dias本人也深陷学术不端的指控之中。2022下半年，在近两年的争论之后，Nature撤回了Dias的论文。

然而对于Dias的学术不端指控却是有增无减。有学者称，Dias曾连篇累牍地剽窃他人博士论文的内容。还有人称Dias在2021年发表在Physical Review Letters上的论文，也存在数据造假[3]。PRL的执行编辑Jessica Thomas确认了该指控的存在，并表示期刊方面已经启动调查。“这是一个相当严重的指控。我们不会等闲视之。”

PRL在对Dias进行独立检查后，与十几位高温超导专家进行了交流，其中也包括Dias本人。尽管意见并未最终统一，但绝大多数的人都认为Dias存在某种程度的学术不端。

Dias极力否认这些指控。他说：“我认为这是一场科学辩论。尽管这些指控毫无意义和根据，但我认为它们有助于推动科学进步。” 他始终坚持，他有关室温超导的两项研究的数据都是可靠且有效的。

第一个室温超导体？

超导体是指在某一温度下电阻为零的导体材料。最早被发现的超导体，其超导状态只能保持到25K（约零下248摄氏度），温度再往上升就不行了。在上世纪80年代末，研究人员发现了第一批所谓的“高温”超导体，可以在90K（约零下183摄氏度）的温度下实现超导。这算是一个重大进步，因为这个范围内的温度是可以通过液氮冷却实现的。科学家们那时认为，室温超导的革命已经在路上了。

Mercury是1911年发现的第一个超导体，转变温度最高可达几开尔文。自这一发现以来，研究人员又发现了50多种具有零电阻特性的材料。

图源：PJRay/CC BY-SA 4.0/Wikimedia; Adapted by APS

但这条路比人们想象的要曲折的多。到目前为止，那些早期实验中的被寄予厚望的“高温”超导体（主要是氧化铜材料），没有一个成功冲过了160K（约零下113度）大关的。这一温度比南极洲的任何一处的地表温度都要低。

柳暗花明又一村，科学家有预测了发展高温超导体的另一条思路。计算模型表明，在高压环境下氢，氢可以转化为在常温下具有超导性质的金属材料[4]。有几个研究小组都声称在实验室中制造了“金属氢”，其中也包括Dias和他的博导——哈佛大学的Isaac Silvera[5]。但关于成功制备金属氢的确凿证据仍然难以得到。

随后，研究人员又调转思路，创造了低压固态金属氢合金材料，这一方法再次将超导材料进行“升温”。2015年，德国马普所的Mikhail Eremets及同事报告了第一个超导氢化物——氢和硫的混合物，该材料在203K和155GPa下可实现超导。2019年，有科学家报告了一种十氢化镧的超导体材料,可在250K和170GPa下实现超导。室温超导研究再度打开局面。

2020年10月14日，Dias及其同事在Nature上宣布，他们创造了一种含氢材料——碳硫氢体系，该材料在287K和267GPa条件下实现了超导性。这成为了一项被发表的室温超导研究[2]。起初，学界对该研究的反应是积极的。曾构建出硫氢超导体系的Mikhail Eremets还专门致电Dias表示祝贺。

但也有人迅速提出了质疑。加州大学圣地亚哥分校的凝聚态理论家Jorge Hirsch就是其中之一。当CSH的结果发表时，Hirsch立即检查了文章是否有缺陷，并很快注意到磁化率的测量问题。磁化率应该在材料在进入超导状态时，电阻与磁化率都会急剧下降。相对电阻，磁化率更好测量，于是它变成了验证超导性的一个关键指标。

Hirsch表示，磁化率在迅速下降后，随着温度的进一步降低，它的变化又会趋于平坦，或是非常缓慢地上升。他指出，Dias这篇论文中的磁化率图表（具体来说是“扩展数据图7d”的插图）很怪异，磁化率在较低温度下的斜率出现了急剧上升。这是令人困惑的。

复制粘贴之谜

2020年11月，Hirsch在审查Dias团队CSH超导体系的论文数据时，发现了2009年发表在PRL上的一篇关于铕超导的研究[8]。按理说，铕和CSH体系的曲线应当判然有别，因为铕的超导性只能维持在2.75 K。但Hirsch很惊讶地发现，两篇论文的磁化率曲线形状十分相似。

Hirsch进一步沿着该线索追踪，发现两篇论文的磁化率测量都是由Matthew Debessai完成的。这就不由得让人“合理怀疑”一下了。带着强烈疑问，Hirsch向Dias索要原始数据，但遭到后者拒绝。不过Hirsch最终还是通过论文的另一位合著者拿到了原始数据。仔细对比后Hirsch认为，两篇论文的磁化率数据的一部分是直接复制粘贴的。PRL得到通知后，对铕超导的文章展开审查，认为其研究数据并不准确，在2021年12月23日撤回了这篇文章。在Hamlin的另一位合作者再次进行的铕实验中，也没能复现高温下铕的超导现象。

佛罗里达大学的高压实验学家James Hamlin是铕超导论文的合著者之一，当他也发现这项研究数据有问题时，他与Dias和Ashkan Salamat（内华达大学拉斯维加斯分校物理学家，也是CSH超导论文的作者）安排了一次会议。Hamlin回忆道：“我说，‘看，铕的数据有问题。数据已经被篡改了，你们需要检查CSH论文的磁化率数据’。” 但Hamlin的提议并未被Dias和Salamat重视。Hamlin称，他们似乎对潜在的学术不端行为满不在乎，只是忧心“铕超导数据是伪造的”这类消息会在网上流传出去，造成负面影响。

在Hirsch调查CSH超导论文的研究数据时，其他人则在尝试复现CSH的超导实验。卡内基研究所材料科学家Alexander Goncharov表示，论文中如何合成CSH的描述“虽然不够详细，但仍已足够开展复现实验”。Goncharov及其团队合成了CSH材料，实验中只有一个改动——将其中一个步骤用不同材料替换了（将纯碳替换为甲烷）[9]，然而复现没能成功。Eremets的团队也试图重复Dias的结果，但经过六个月的努力后，他表示放弃。迄今为止，还没有独立实验能够证实Dias团队的CSH合成方法，更不用说在CSH体系中观察到超导现象了。

除迪亚斯小组以外，没有人能复制他2020年室温超导实验中使用的材料。

图源：J. Adam Fenster/Univ. of Rochester

Eremets和Goncharov都联系过Dias以获得合成CSH的指导，但他们说没有得到任何帮助。Eremets表示，为这种研究的复现实验提供指导是一种惯例。他当年宣布在硫氢材料中发现超导现象时，他立即同意了休斯顿大学高温超导专家Paul Chu进入他的实验室学习。

芝加哥伊利诺伊大学的凝聚态物理学家Russell Hemley表示与Dias在最近的CSH实验中合作[10]。他表示，Eremets和Goncharov的失败只是因为CHS的合成是十分困难的。“这是一个棘手的合成程序，它经常失败。你必须把初始压力调整得恰到好处，并使用正确的激光功率等等。Eremets和Goncharov的复现失败并不能证明什么，除了证明这一合成过程的棘手。”

不仅实验上难以复现出结果。理论物理的科学家们也难以模拟出CSH的超导结果。罗马大学凝聚态理论物理学家Lilia Boeri表示，在过去两年半的时间里，科学家们进行了仔细的测算，但仍然没有人能找出一个同时含有碳、硫和氢的超导结构能够达到Dias论文中的室温标准[11]。相比之下，其他氢化物超导材料则很容易被模拟证实，并且它们的超导转变温度计算值与实验值的误差在5%以内。Boeri说，室温超导的CSH体系“应该是不存在的”。

原始数据？

一年多以来，Dias一直拒绝提供CSH超导论文的原始数据文件。他声称正在申请专利，因此无法分享数据。Hamlin认为这只是一个借口。2021年12月25日——铕超导的论文被撤回两天后——Dias和Salamat似乎改变了想法，他们公布了CHS超导论文磁化率测量的完整数据集[13]。Hirsch开始与日内瓦大学的凝聚态物理学家Dirk van der Marel共同研究数据。他们很快发现了一些奇怪的事情。

为了获取CSH的磁化率数据，Dias进行了两次独立的测量：超导CSH样品的“原始”信号和非超导CSH样品的背景信号。然后，他们将背景信号从原始信号中减去，以得到“干净”的信号。这是为了去除测量中存在的噪声。但Hirsch和van der Marel指出独立测量的背景噪声并不相同，这种减去的思路是荒谬的，数据是被篡改了。

Dias等人回应称，他们其实没有如Nature论文中所描述的那样测量背景信号。相反，他们是“构建”了背景信号。但Hirsch认为这一解释同样站不住脚。

迪亚斯曾两次宣布他已经观察到室温超导。

图源：J. Adam Fenster/Univ. of Rochester

2022年9月26日，CSH超导的论文被Nature撤回。Dias表示，论文被撤的原因是他们应用了一种非标准的数据处理方法，而他们没有披露这一方法。但是Nature“并没有质疑我们数据的有效性……数据还是有效的”。不过Hamlin认为这一说法并无说服力。此外，在论文被撤后Hamlin发表了一项分析，他还发现论文的电阻率数据也存在一些问题。

University of Rochester 已经进行了两次内部调查，由Steven Manly 和 Gilbert Collins负责，以调查CSH超导研究中的数据篡改问题。根据一位发言人的说法，两项调查的结果是“确定没有证据支持这些关切”。但是，罗彻斯特大学没有公开调查的范围，也提供任何结论是如何得出的相关信息。

抄袭指控

当 Hamlin 在研究CSH论文的数据时，发现了一些眼熟的句子。这些句子似乎是他2007年的博士论文中内容。他凭直觉打开了Dias在2013年完成的博士论文，并将他自己的论文和Dias的论文都提交抄袭检测器。结果显示这两篇论文存在大量相同段落。Physics Magazine 对这两篇论文的独立调查发现，两篇文章有数十个段落完全一致、两个图表极其相似。

对于剽窃Hamlin论文的指控，Dias 表示他没有做错任何事情，只是说：“我有适当的引用。” 授予 Dias 博士学位的华盛顿州立大学对是否就此事进行了学术不端调查不予置评。来自罗切斯特大学的一份声明则称，“Dias已经为这些错误负责，并正在与他的论文导师一起努力修改论文。”

Hamlin 还在 Dias 的论文中发现，其文中一张硒化锗的电阻率图与2021年一篇关于硫化锰的PRL论文中的图表很相似。他通过电子邮件向Dias和论文的其他作者传达了他的发现。PRL论文的共同作者 Simon Kimber 表示，在收到邮件后，他“想不到任何能够解释两图相似之处的化学或物理学原理”。Kimber随即发送了一封电子邮件给PRL请求撤回Dias的问题论文。PRL 已经对这一指控展开了调查。

Hamlin关于磁化率测量的论文第64页和第66页的段落（左）包含与Dias和Salamat的6年arXiv论文第2021页相同的文本，其中两人分享了原始CSH数据（右）。

图源：D. Garisto/APS

由于不断出现的新指控和各种论文被撤，Dias的同行们对他的科学声明持审慎怀疑态度。Eremets表示：“尽管如此，我不想相信（指控的是真的），因为这太严重了。” 他希望大家可以将不可复现的CSH研究抛在脑后，并继续前进。但也有许多人不持这种宽容态度。

本周的Dias所宣称镥-氢-氮超导体系，再次在世界范围内引发巨大关注。有人支持，有人怀疑。而对于van der Marel来说，这篇新论文最大的问题在于其处理2020年CSH论文的方式。当Dias和他的同事在新论文中描述他们的背景减法技术（2020年CHS论文中争议的焦点）时，他们居然堂而皇之地引用了已撤论文及其撤回通知。van der Marel问道：“我也不明白Nature在干嘛。他们为什么会让这种情况发生呢？”

参考文献：

https://physics.aps.org/articles/v16/40#c3

原文引用文献：

N. Dasenbrock-Gammon et al., “Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride,” Nature 615, 244 (2023).
E. Snider et al., “RETRACTED ARTICLE: Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride,” Nature 586, 373 (2020).
D. Durkee et al., “Colossal density-driven resistance response in the negative charge transfer insulator MnS₂,” Phys. Rev. Lett. 127, 016401 (2021).
N. W. Ashcroft, “Metallic hydrogen: A high-temperature superconductor?” Phys. Rev. Lett. 21, 1748 (1968).
I. F. Silvera and R. Dias, “Metallic hydrogen,” J. Phys.: Condens. Matter 30, 254003 (2018).
A. P. Drozdov et al., “Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system,” Nature 525, 73 (2015).
A. P. Drozdov et al., “Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures,” Nature 569, 528 (2019); M. Somayazulu et al., “Evidence for superconductivity above 260 K in lanthanum superhydride at megabar pressures,” Phys. Rev. Lett. 122, 027001 (2019).
M. Debessai et al., “Retraction: Pressure-induced superconducting state of europium metal at low temperatures [Phys. Rev. Lett. 102, 197002 (2009)],” Phys. Rev. Lett. 127, 269902 (2021).
E. Bykova et al., “Structure and composition of C-S-H compounds up to 143 GPa,” Phys. Rev. B 103, L140105 (2021).
H. Pasan et al., “Observation of conventional near room remperature superconductivity in carbonaceous sulfur hydride,” (2023) arXiv:2302.08622.
M. Gubler et al., “Missing theoretical evidence for conventional room-temperature superconductivity in low-enthalpy structures of carbonaceous sulfur hydrides,” Phys. Rev. Materials 6, 014801 (2022).
Y. Ge et al., “Hole-doped room-temperature superconductivity in H₃S_1−xZ _x(Z = C, Si),” Mater. Today Phys. 15, 100330 (2020).
R. P. Dias and A. Salamat, “Standard superconductivity in carbonaceous sulfur hydride,” (2021) arXiv:2111.15017v2.
D. van der Marel and J. E. Hirsch, “Extended comment on Nature 586, 373 (2020) by E. Snider et al,” (2022) arXiv:2201.07686v7.
J. J. Hamlin, “Vector graphics extraction and analysis of electrical resistance data in Nature volume 586, pages 373–377 (2020),” (2022) arXiv:2210.10766v1.

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