物理界炸了！此前Nature論文曾被撤稿，今又宣布爭(zhēng)議性超導(dǎo)體

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2023年3月7日，在美國(guó)內(nèi)華達(dá)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(dǎo)實(shí)驗(yàn)》的演講”并聲稱他和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種可以在室溫和接近大氣壓力下工作的超導(dǎo)體。

這是一場(chǎng)座無虛席的演講，開場(chǎng)前15分鐘就已經(jīng)人滿為患，安保人員不得不上前阻攔更多想要入場(chǎng)的觀眾。

據(jù)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(xiàn)出超導(dǎo)性。

在一項(xiàng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，他和他的團(tuán)隊(duì)將純金屬镥和氫氣、氮?dú)夥胖迷谝粋€(gè)可以產(chǎn)生高壓的裝置中，稱為金剛石砧（金剛石砧的核心是兩顆對(duì)齊的金剛石，兩顆金剛石之間的狹縫中產(chǎn)生極高的壓力），然后通過改變壓力，他們可以測(cè)量新材料中的電阻。該材料在約 21°C 和 294 開爾文 (Kelvins, K) 的條件下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。

迪亞士在演講中說：“我們?cè)谔假|(zhì)硫化氫中發(fā)現(xiàn)的室溫超導(dǎo)性表明，三元或更大的體系可能是實(shí)現(xiàn)更高轉(zhuǎn)變溫度和室溫超導(dǎo)性的關(guān)鍵?！?“對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說，這意味著一種新型材料體系的誕生?！?/span>

圖 | Ranga Dias（來源：資料圖）

就在迪亞士公布結(jié)果后，當(dāng)?shù)貢r(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(dǎo)性的證據(jù)》“Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride” 發(fā)表于《自然》。Nathan Dasenbrock-Gammon 內(nèi)森·達(dá)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（來源：Nature）

迪亞士在論文中說，他制備了一種由氫、氮和稀土金屬镥反應(yīng)得到的固體材料，可以完美地導(dǎo)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(dǎo)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(yàn)所需的壓力遠(yuǎn)低于以往使用類似材料的實(shí)驗(yàn)（低100多倍），也遠(yuǎn)低于目前主流室溫超導(dǎo)體所需的數(shù)百萬個(gè)氣壓。

在這項(xiàng)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?dú)獾幕旌衔?。通過將壓力提高到 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(lán)色晶體，即使壓力下降，新合成的物質(zhì)仍保持結(jié)晶狀態(tài)。 

當(dāng)壓力降至 0.3GPa 時(shí)，隨著電阻降至零，藍(lán)色水晶變成粉紅色。在 1GPa 的壓力下，該材料可以達(dá)到 294K 的峰值超導(dǎo)溫度。磁性測(cè)量表明樣品可以排斥外部施加的磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象是超導(dǎo)體的標(biāo)志（邁斯納效應(yīng)）。

對(duì)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(dǎo)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(yīng)用場(chǎng)景中仍然無法使用，甚至比低溫實(shí)現(xiàn)還要困難?！壁w躍還指出：“這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)凝聚態(tài)物理的意義遠(yuǎn)大于超導(dǎo)實(shí)用技術(shù)。新型超導(dǎo)材料能否實(shí)用取決于其在磁場(chǎng)下的載流能力和穩(wěn)定性。因此。，這種新型超導(dǎo)材料要走出實(shí)驗(yàn)室還有很長(zhǎng)的路要走。”

著名的超導(dǎo)性和量子材料專家、澳大利亞臥龍崗大學(xué)超導(dǎo)與電子材料研究所所長(zhǎng)、澳大利亞國(guó)家未來低能電子技術(shù)中心分部主任王曉臨說：“雖然室溫超導(dǎo)體遲早會(huì)被發(fā)現(xiàn)，但我仍然和我的同事一樣興奮并渴望重復(fù)這一發(fā)現(xiàn)。室溫超導(dǎo)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(xiàn)，并期待在室溫超導(dǎo)領(lǐng)域繼續(xù)取得進(jìn)展?！?/span>

另據(jù)報(bào)道，此前只有在極低的溫度或壓力下才能觀察到超導(dǎo)性，而現(xiàn)有的超導(dǎo)體需要昂貴且笨重的冷卻系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)零電阻傳導(dǎo)。由于所需條件苛刻，這些材料無法長(zhǎng)期投入到無損電力線、懸浮高速列車和醫(yī)學(xué)影像設(shè)備等應(yīng)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(fù)后，可以沿著壓縮路徑測(cè)試其超導(dǎo)性能。如果這是真的，那么這種可以在常溫下工作的超導(dǎo)材料可能意味著環(huán)保超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的曙光已經(jīng)到來，也很有希望開啟超靈敏、高效電子產(chǎn)品的革命性時(shí)代。

對(duì)于論文的發(fā)表過程，身為通訊作者的迪亞士自稱經(jīng)歷了五輪審稿。即便如此，并非所有人都認(rèn)同這一成就。業(yè)內(nèi)同行認(rèn)為，迪亞士應(yīng)該盡一切努力幫助外部科研團(tuán)隊(duì)重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。

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：“鑒于我們工藝的專有性質(zhì)和現(xiàn)有的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，我們不會(huì)分發(fā)這些材料。”

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(nèi)華達(dá)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(duì)氫化物所做的最詳細(xì)的研究，”薩拉馬特說。同時(shí)，他說樣本的原始數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)上查到，還說在分享樣本的論文中也提供了詳細(xì)的配方，所以“大家可以繼續(xù)自己做”。

同行業(yè)的美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)副教授詹姆斯·哈姆林James Hamlin對(duì)媒體表示：“如果結(jié)果被證明是正確的，這可能是超導(dǎo)史上最大的突破。這將是一個(gè)地球上令人震驚的、開創(chuàng)性的、非常令人興奮的發(fā)現(xiàn)?！彼^續(xù)說道：“我認(rèn)為他們必須做一些真正的工作，并且真正地開放讓人們相信它。”

加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)教授豪爾赫·愛德華多·赫希Jorge Eduardo Hirsch說：“我懷疑（新結(jié)果），因?yàn)槲也幌嘈胚@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(tái)后，赫希當(dāng)面質(zhì)疑了迪亞斯的新成績(jī)。
 
“物理學(xué)的圣杯”——超導(dǎo)性

說到這里，讓我告訴你什么是超導(dǎo)。超導(dǎo)性被稱為“物理學(xué)的圣杯”，是指在一定的低溫條件下，導(dǎo)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(dǎo)體，即可以無電阻地傳輸電力。一些超導(dǎo)體在較溫暖的條件下工作，但它們必須受到擠壓。因?yàn)樗枰獫M足一定的溫度條件，所以它的應(yīng)用還沒有達(dá)到能夠帶來顛覆性變化的程度。

超導(dǎo)研究的歷史可以追溯到一個(gè)世紀(jì)以前。1911年，荷蘭物理學(xué)家?？恕た帧ぐ簝?nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）先后測(cè)量了汞、錫、鉛在極低溫下的電導(dǎo)率，并率先發(fā)現(xiàn)了浸入液氦中的水銀的電導(dǎo)率。固體汞燈絲在 4.2K 時(shí)表現(xiàn)出超導(dǎo)性。

隨后的研究表明，許多類別的材料都具有超導(dǎo)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(xiàn)超導(dǎo)的材料成為學(xué)術(shù)界孜孜不倦追求的目標(biāo)。

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

那么，此次發(fā)表在Nature上的新論文為何會(huì)引來業(yè)界的不同意見呢？這很大程度上是由于該團(tuán)隊(duì)之前的論文被 Nature 撤稿導(dǎo)致。而這篇被撤回的論文一度被譽(yù)為室溫超導(dǎo)的“里程碑”成就。

“里程碑”論文被撤，“數(shù)據(jù)未知”的室溫超導(dǎo)研究引發(fā)巨大爭(zhēng)議

2020年10月，迪亞士團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表論文，聲稱他們首次實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)。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(dǎo)性》“Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride”，報(bào)告了碳質(zhì)硫化氫體系中的超導(dǎo)性，在267±10kMPa下達(dá)到的最大超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為15℃ 。

圖丨撤稿論文（來源：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(nèi)觀察到了超導(dǎo)性，其轉(zhuǎn)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(diào)諧可以在較低壓力下保持室溫超導(dǎo)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(nèi)獲得了大量讀者的關(guān)注。

但隨后，因?yàn)檎撐闹械臄?shù)據(jù)遭到了學(xué)術(shù)界的質(zhì)疑，很快就引起了巨大的爭(zhēng)議。接著，以 Dias 為首的作者團(tuán)隊(duì)對(duì)論文進(jìn)行了更正，并提供了相關(guān)原始數(shù)據(jù)，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(qiáng)烈表示論文中的數(shù)據(jù)非?？赡苁恰澳笤斓摹?，他甚至在預(yù)印本平臺(tái)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(duì)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(duì)一切質(zhì)疑表示堅(jiān)決反對(duì)。他對(duì)媒體說：“我們堅(jiān)持我們的工作，這已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)和理論上得到了驗(yàn)證?！背犯逭撐牡淖髡甙⑹部病に_拉馬特 Ashkan Salamat 也表示：“我們對(duì)《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)過調(diào)查，《自然》雜志于 2022 年撤回了這篇論文。需要說明的是，這次撤稿有點(diǎn)反常，因?yàn)镹ature在九位論文作者的聯(lián)合反對(duì)下，果斷執(zhí)行了撤稿行動(dòng)。面對(duì)這一結(jié)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(jù)?！?/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(yàn)中復(fù)制了碳質(zhì)氫硫化物的高溫超導(dǎo)性，他堅(jiān)持認(rèn)為這將澄清過去的指控。迪亞斯還表示，他與《自然》雜志分享了他所有的原始數(shù)據(jù)。

因此，對(duì)于迪亞斯這一次的新成就，無論未來會(huì)出現(xiàn)怎樣的爭(zhēng)議，也不管是真是假，我們都必須秉持“讓子彈飛一會(huì)兒”的觀望態(tài)度。

最后，如果這種新型室溫超導(dǎo)體成為現(xiàn)實(shí)，它幾乎可以改變所有使用電力的技術(shù)，并為電子設(shè)備、磁懸浮列車和核聚變發(fā)電廠開辟全新的可能性。如上所述，只要室溫超導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)，就會(huì)帶來很多方面的變化。

內(nèi)容來源：深科技