|
超导，是自然界中最深刻的现象之一。然而，由于所需温度较低，这种难以捉摸的量子状态还没有给世界带来变革。因此，自从一个多世纪前Kamerlingh Onnes首次在4.2开尔文的汞元素中观察到超导性以来，常温条件下的超导性已成为科学界最追求的目标之一。 3月8日，在美国物理学学会(APS)的三月会议上，Ranga Dias正式提出在三元氢化物(N-Lu-H)中发现了室温条件下(1GPa/1000 MPa，20°C)超导性。此次会议上，实验团队报告了最近开发的新材料，其在接近环境条件下表现出超导性：这些化合物是在高压-高温条件下合成的，有了这些材料，环境超导性(ambient superconductivity)和应用技术的黎明已经到来。值得注意的是，2020年，Dias小组曾提出室温超导，随后在2022年9月被《自然》杂志撤稿。仅过去半年，同一小组就再次提出“室温超导”这一概念。此次，Ranga Dias小组在三元氢化物（N-Lu-H）中实现了在1GPa（或1000 MPa），20°C的超导电性。所谓“三元”是说有三种元素，氢化物是氢和别的元素形成的化合物。
具体来说，本次发现的室温超导材料为三元镥氮氢体系(ternary lutetium-nitrogen hydrogen system),能够在10kbar压强下最高转变温度为294K（约21摄氏度）——这已经达到了人类生活的常温水平。刚刚，这一成果以“Evidence of near-ambient superconductivity in a N-doped lutetium hydride”为题，发表在《自然》杂志上。
原文表示，“该化合物是在高压高温条件下合成的，然后，在确定其完全可回收之后对其材料、超导特性沿着压缩途径进行了研究。这包括在有和没有外加磁场的情况下随温度变化的电阻，磁化（M）与磁场（H）的曲线，交流和直流磁感应强度，以及热容量测量。X射线衍射（XRD）、能量色散X射线（EDX）和理论模拟为合成材料的化学计量提供了一些见解。尽管如此，还需要进一步的实验和模拟来确定氢和氮的确切化学计量，以及它们各自的原子位置，以进一步了解该材料的超导状态。”
如果这个科学成果是真的，那么人类的技术将实现一次飞跃。具体来说，如果真的证明了室温超导、这一技术如果能进入民用领域，电的传输效率会大大提升，因此可以颠覆能源科技，包括但不限于超导电器、量子计算机、超导输发电、磁悬浮等等。
超导现象最早于1911年由荷兰莱顿大学的H.K. Onnes研究团队发现——金属汞在4.2 K以下电阻突然消失为零，Onnes将其命名为“超导”，寓意“超级导电”。随后的百余年时间里，各类超导材料不断被发现，目前已知的超导材料有成千上万种，覆盖单质金属、合金、金属间化合物、过渡金属硫族化物/磷族化物甚至有机化合物等。
超导材料因其绝对零电阻和完美的抗磁特性等特殊物理性质，几乎在所有电和磁相关的领域都有巨大的应用价值。超导本质上是微观电子的配对相干凝聚，是一种宏观量子现象，在量子器件方面也有许多重要用途。超导物理的研究让人们认识到物质中复杂相互作用出现的层展现象，可能有的超越了传统理论框架，对基础物理的发展有重要推动作用。正是如此，超导在物理学前沿一直受到广泛关注，而寻找更加好用的超导材料，摆脱超导应用的低温环境限制，是科学家一直以来的梦想。能否实现室温超导材料，也是领域内最大的挑战之一。在过去的十年里，高压压缩技术主导了对高温超导性的探索。引领潮流的是以氢为主的合金的“化学预压缩”，证明了稀土氢化物LaH10和YH9在兆帕压力下接近水的冰点的关键超导转变温度（Tc）。
各类超导体发现的年代和临界温度，插图为典型的材料结构。来自：《中国科学》
理论上曾预言，金属氢就极可能是室温超导体，但是前提是要在百万级大气压（100 GPa以上）的极端高压下合成。2017年，美国哈佛大学的 R. P. Dias和I. F. Silvera宣布在495 GPa下实现了金属氢，他们观测氢在压力不断增加过程中，从透明氢分子固体，到黑色不透明的半导体氢，最终到具有金属反光的金属氢，论文发表在《科学》杂志上。
正当业界一片欢呼，期待Dias和Silvera进一步测量金属氢是否有室温超导电性时，他们却在实验过程不小心打碎了金刚石，后面也没再重复实验。Dias不再重复实验的原因也很简单，当时他博后期满，正忙着找工作，而且论文已经被顶刊《科学》接收了。随之而来的，是一片质疑声，近500 GPa的高压技术虽然很难，但国际上仍有几个研究组是可以做到的，但他们却没有重复出来金属氢的实验结果。更令人难以置信的是，这篇论文的关键证据之一——金刚石对顶砧里的金属氢照片，是用iPhone摄像头拍的，显得极其不专业。知情人士透露，在圈内科学家反复追问下，Dias承认“金属氢”的实验成功率并不高，可能也就那么一两次获得了“有效”的实验数据。科学家们有理由怀疑最终得到的“金属反射”信号可能来自高压腔体内的金属垫片，而不是金属氢本身，作者后来也发文更正了光电导的数据。金属氢是否真的能实现室温超导，继续是一个未解谜团。
用iPhone摄像头拍摄的“高压下氢状态”，495 GPa为金属氢Dias的这篇令人充满疑问的论文，也为后来的室温超导撤稿事件埋下一个伏笔。既然在金属氢中实现室温超导非常困难，是否可以另寻思路？其实科学家早就意识到了，一些氢的化合物有可能不需要那么高的压力，就能实现金属化甚至很高温度的超导。因为其内部由于元素间化学键的存在，会产生足够大的 “化学压力”，如果化学压力刚好与外部压力是同等正向效应，就不再需要那么高的外部压力，实验也相对容易成功。2020年10月14日，《自然》发表了题为《碳氢硫化物中室温超导电性》的论文，第一作者为E. Snider，通讯作者为 R. P. Dias——此时Dias已在美国罗切斯特大学任助理教授。论文的关键结果是C-S-H三元体系在267 GPa左右可以实现288 K左右的超导电性，对应温度为15℃。超导材料的Tc，被首次突破到0℃以上：距离室温300 K仅有一步之遥。然而，和Dias发表的金属氢那篇论文一样，这篇文章从发表当天开始，就遭到了科学界广泛的质疑。实验物理学家普遍认为“论文数据过于漂亮了，超导零电阻的转变非常陡峭，相关结果存在一系列的问题”，理论物理学家则觉得 “数据结果有悖基本物理”。
作为回应，Dias等人在2021在arXiv张贴论文给出了磁化率的原始数据以及背景扣除方法。
Dias等人公布的磁化率背景扣除方法以及质疑学者的分析甚至，更有学者对Dias等人所谓的原始数据进行了非常详细的分析，坚定地认为这些数据存在明显的“人造痕迹”：所谓的“超导信号”来自于一个分段函数加连续函数的叠加；所谓的“背景信号”存在人为构造的非随机噪音，而所谓“原始数据”就是两者相加的结果！他们用了“pathological”（不可理喻的）一词来形容Dias论文中的磁化数据结果。正是这篇论文，最终导致了Nature的编辑在2022年9月26日做出了撤稿的决定。
为增进实验可信度，Dias计划把磁性测量的原始数据以及背景扣除等信息添加进去，重新投稿这篇论文。他和Salamat甚至成立了一家公司叫做“Unearthly Materials”，试图探索可商业化应用的室温超导材料。此次再发室温超导相关论文，究竟是颠覆还是乌龙，让我们静观其变！[1]https://mp.weixin.qq.com/s/cIY3m_gkpwZA9VtocuAwLg[2]https://tech.ifeng.com/c/8NzXg7pS6Lg[3]https://meetings./Meeting/MAR23/Session/K20.2[4]https://mp.weixin.qq.com/s/sET8sKHI0-PL_XbFUQSMrw
|
