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?shù)貢r間2023年3月7日，在美國內(nèi)華達州拉斯維加斯舉行的物理學會年會上，羅切斯特大學助理教授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)超導實驗》的演講”并聲稱他和他的團隊創(chuàng)造了一種可以在室溫和接近大氣壓力下工作的超導體。

這是一場座無虛席的演講，開場前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)出超導性。

在一項相關實驗中，他和他的團隊將純金屬镥和氫氣、氮氣放置在一個可以產(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)出超導性。

迪亞士在演講中說：“我們在碳質(zhì)硫化氫中發(fā)現(xiàn)的室溫超導性表明，三元或更大的體系可能是實現(xiàn)更高轉(zhuǎn)變溫度和室溫超導性的關鍵?！?“對于實際應用來說，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?shù)貢r間3月8日，相關論文的題目是《氮摻雜氫化镥中近環(huán)境超導性的證據(jù)》“Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride” 發(fā)表于《自然》。Nathan Dasenbrock-Gammon 內(nèi)森·達森布羅克-甘蒙是第一作者，Dias迪亞士是通訊作者。

圖丨相關論文（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，迪亞士實驗所需的壓力遠低于以往使用類似材料的實驗（低100多倍），也遠低于目前主流室溫超導體所需的數(shù)百萬個氣壓。

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(jié)晶狀態(tài)。 

當壓力降至 0.3GPa 時，隨著電阻降至零，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，這種現(xiàn)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的壓力在實際應用場景中仍然無法使用，甚至比低溫實現(xiàn)還要困難?！壁w躍還指出：“這一實驗結(jié)果對凝聚態(tài)物理的意義遠大于超導實用技術。新型超導材料能否實用取決于其在磁場下的載流能力和穩(wěn)定性。因此。，這種新型超導材料要走出實驗室還有很長的路要走。”

著名的超導性和量子材料專家、澳大利亞臥龍崗大學超導與電子材料研究所所長、澳大利亞國家未來低能電子技術中心分部主任王曉臨說：“雖然室溫超導體遲早會被發(fā)現(xiàn)，但我仍然和我的同事一樣興奮并渴望重復這一發(fā)現(xiàn)。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。我向背后的科學家們表示祝賀這一發(fā)現(xiàn)，并期待在室溫超導領域繼續(xù)取得進展?！?/span>

另據(jù)報道，此前只有在極低的溫度或壓力下才能觀察到超導性，而現(xiàn)有的超導體需要昂貴且笨重的冷卻系統(tǒng)才能實現(xiàn)零電阻傳導。由于所需條件苛刻，這些材料無法長期投入到無損電力線、懸浮高速列車和醫(yī)學影像設備等應用場景中。

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環(huán)保超導應用技術的曙光已經(jīng)到來，也很有希望開啟超靈敏、高效電子產(chǎn)品的革命性時代。

對于論文的發(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，并非所有人都認同這一成就。業(yè)內(nèi)同行認為，迪亞士應該盡一切努力幫助外部科研團隊重現(xiàn)實驗。

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：“鑒于我們工藝的專有性質(zhì)和現(xiàn)有的知識產(chǎn)權，我們不會分發(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(nèi)華達大學的教授，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。同時，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的配方，所以“大家可以繼續(xù)自己做”。

同行業(yè)的美國佛羅里達大學副教授詹姆斯·哈姆林James Hamlin對媒體表示：“如果結(jié)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?！?/span>

加州大學圣地亞哥分校的物理學教授豪爾赫·愛德華多·赫希Jorge Eduardo Hirsch說：“我懷疑（新結(jié)果），因為我不相信這些作者?！倍谏鲜鰰h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。
 
“物理學的圣杯”——超導性

說到這里，讓我告訴你什么是超導。超導性被稱為“物理學的圣杯”，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。因為它需要滿足一定的溫度條件，所以它的應用還沒有達到能夠帶來顛覆性變化的程度。

超導研究的歷史可以追溯到一個世紀以前。1911年，荷蘭物理學家?？恕た帧ぐ簝?nèi)斯（Heike 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(xiàn)了浸入液氦中的水銀的電導率。固體汞燈絲在 4.2K 時表現(xiàn)出超導性。

隨后的研究表明，許多類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現(xiàn)超導的材料成為學術界孜孜不倦追求的目標。

1968 年，英國固態(tài)物理學家尼爾·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上的新論文為何會引來業(yè)界的不同意見呢？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為室溫超導的“里程碑”成就。

“里程碑”論文被撤，“數(shù)據(jù)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，聲稱他們首次實現(xiàn)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(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調(diào)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，甚至在較短的時間內(nèi)獲得了大量讀者的關注。

但隨后，因為論文中的數(shù)據(jù)遭到了學術界的質(zhì)疑，很快就引起了巨大的爭議。接著，以 Dias 為首的作者團隊對論文進行了更正，并提供了相關原始數(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烈表示論文中的數(shù)據(jù)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：“我們堅持我們的工作，這已經(jīng)在實驗和理論上得到了驗證。”撤稿論文的作者阿什坎·薩拉馬特 Ashkan Salamat 也表示：“我們對《自然》雜志編委會的決定非常關注。感到困惑和失望。”

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，這次撤稿有點反常，因為Nature在九位論文作者的聯(lián)合反對下，果斷執(zhí)行了撤稿行動。面對這一結(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，對于迪亞斯這一次的新成就，無論未來會出現(xiàn)怎樣的爭議，也不管是真是假，我們都必須秉持“讓子彈飛一會兒”的觀望態(tài)度。

最后，如果這種新型室溫超導體成為現(xiàn)實，它幾乎可以改變所有使用電力的技術，并為電子設備、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，只要室溫超導體能夠?qū)崿F(xiàn)，就會帶來很多方面的變化。

內(nèi)容來源：深科技