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21℃室温超导引爆物理圈，曾被撤稿研究再登Nature 已有1人参与
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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。 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 昨晚有网友看完直播之后，就演讲中的实验数据和细节提出了疑问。如果 Ranga Dias 团队能够阐明实验中一些设置的用意，解释数据中存在的疑点，这项研究的成果就会更令人信服。 图源：知乎网友 @洗芝溪 还有网友表示，如果结果经不起推敲，科学家的信誉将受到极大损害。 看来，Dias 这一次对于凝聚态物理圣杯的冲击是否成功，还需要更多科学家的进一步验证。 参考内容： https://www.zhihu.com/question/588302961 https://meetings.aps.org/Meeting/MAR23/Session/K20.2 https://www.quantamagazine.org/r ... esistance-20230308/ https://arstechnica.com/science/ ... at-lower-pressures/ 特别声明 |
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21℃室温超导出现了？专家：细节存疑 3月8日，赌城美国拉斯维加斯，一场专业的学术报告，瞬间让物理学界沸腾了。 接下来，广大股民和投资人或许要纷纷熬夜，学习一个他们完全陌生的领域——室温超导。 这场报告来自美国罗切斯特大学的朗加·迪亚斯（Ranga Dias）团队。他们宣布：新材料在约21℃的室温条件下，加压到1万个标准大气压就会出现超导现象。 如果是真的，这将意味着，科学家追寻80多年的室温超导被发现了。 当天在拉斯维加斯，开的是一年一度的国际物理学盛会——美国三月会议。宣布这一最新成果的报告厅外，挤满了各路物理学“大牛”，由于现场过于火爆，保安不得不一直“驱赶”人群，据称好几个“大牛”甚至未能挤入会场。 小小报告厅里更是人满为患。虽然无缘现场见证热闹情形，但《中国科学报》独家专访了受《自然》邀请、对迪亚斯最新研究撰写评论文章的我国学者。 争议缠身的朗加·迪亚斯 3月8日凌晨，迪亚斯的这一最新成果在《自然》杂志发表。事实上，这不是迪亚斯第一次在《自然》上发表室温超导研究了。 ? 物理学家朗加·迪亚斯说，他发现了一种在室温和相对低压下的超导材料。 （图片来源：罗切斯特大学） 而关于他的争议，也一直没有消停过。 2017年，迪亚斯宣布发现了金属氢，但因为后来在实验中操作失误，氢泄漏导致金刚石爆炸，无法再做实验，也就再无后续。 2020年，迪亚斯宣布一种由氢-硫-碳3种元素组成的新材料可以实现室温超导（15℃，267GPa）。尽管压力条件相较此次给出的结果距离实际应用更远，但作为“首个室温超导成果”，这项研究轰动了学界，还登上了《自然》封面。 他们将一种碳氢硫混合物放入两个金刚石尖间切好的微腔中，用激光激发样品发生化学反应，并观察到一个化合物形成。随着他们不断将实验温度降低，穿过材料的电流电阻降到了零，显示该样品已经具有超导性。随后，他们开始增加压强，发现这种转变会在越来越高的温度下出现。 不过，《自然》杂志后来还是不顾论文作者的反对，单方面撤回了这篇论文，理由是研究人员在数据处理方面存在违规行为，这削弱了编辑对这些研究结果的信心。 因为这些“前车之鉴”，科学家对这次轰动性的最新结果表示“尚存疑虑”。 仍需要重复实验才能确认 3月9日，受《自然》邀请，中国科学院物理研究所研究员靳常青和美国伊利诺伊大学香槟分校的戴维·塞珀利配发了评论文章《对室温超导性抱有希望，但仍存在疑虑》。 他们的文章指出，与之前的富氢超导化合物相比，论文样品的氢含量相对较少。如果氮掺杂确实是超导状态的部分原因，那么它在实现如此高的转变温度方面的作用还有待确定。 靳常青对《中国科学报》表示：“迪亚斯的论文看起来实验数据很全面，但能不能经得起推敲仍然存疑。第三方能否独立重复他们的实验至关重要。此外，已有理论能否对他们宣称的发现给予合理解释，也需要进一步研究。” 新发现的究竟是一种怎样的材料？ 迪亚斯介绍，这种由镥-氮-氢 （Lu-N-H）构成的材料，能在21℃（294K）的温度下、1GPa的压力下实现超导。 这一材料之所以受人关注，是因为实现条件“令人振奋”。毕竟，合成金刚石都需要几个GPa压强和1000多摄氏度的高温。 当然，1GPa也不可小觑，它约是大气压强的1万倍。尽管条件已经远低于先前室温超导所需的数百万个大气压，但迪亚斯在论文中也提到，成功率只有30%。 靳常青认为，能够验证超导的几个主要特征，包括零电阻、抗磁性、比热跳变、IV曲线变化等，迪亚斯的论文都涵盖了。“所以从实验数据看，找不出太大的毛病，这也许是《自然》接收论文的一个原因。” 按照迪亚斯的论文，整个实验分为两步：第一步先合成出初样，第二步是加压测试样品的性质。不过在合成样品阶段，很多关键细节并不清晰。 在靳常青看来，主要有几个细节存疑。 第一，合成样品结构不清楚。1GPa的压力比较低，所以样品量可以做得比较多，应该可以精确表征结构，但是不知道为何迪亚斯没有做。 第二，氢的含量太低。按照迪亚斯的“镥-氮-氢”模型，氢的含量低，镥：氢摩尔比不到3。而在之前发现的富氢超导体里，氢的摩尔占比为6～10甚至更高。 第三，如果迪亚斯的工作是对的，按照他们提供的基本结构模型，氢原子之间的距离很远，难以实现直接相互作用，这对理论研究提出了一个问题。 值得关注的是，此次迪亚斯合成的镥-氮-氢 材料与以往不同。超导科普作家、中国科学院物理研究所研究员罗会仟告诉《中国科学报》，大多数情况下，临界温度比较高的超导体材料都呈现黑色，而迪亚斯所展示的图片是蓝色，材料加压后变成了粉色，然后变成了红色。但为何不一样，迪亚斯尚无法回答。在高压下，材料能够出现的结构种类很多，最终还要靠实验检验。 前景诱人但不宜盲目乐观 室温超导在磁悬浮、城市电网、核磁共振等方面有着广阔的应用前景，找到室温超导材料，是全世界物理学家长久以来的梦想。 但直到1957年，才有了第一个真正能描述超导现象的微观理论——BCS理论。该理论由美国科学家基于“电子-声子相互作用”建立。 如何判断超导？一个是零电阻效应，当温度下降到某一特定值时，材料的电阻突然下降为零，这个特性可以承载大电流而不发热。 另一个是完全抗磁性，又称迈斯纳效应，即磁场不能穿越超导体内部，这种特性的最大用途是磁悬浮。 事实上，在迪亚斯的研究发现之前，硫化氢、氢化镧等氢化合物已被发现是室温超导体，但无一例外，它们均需要极高压强以及复杂的制备过程，加之金刚石成本高、实验中稍有不慎即破碎，应用情况始终不尽如人意。 商用方面，迪亚斯等人创建了一家名为“非凡材料”的公司，以尽快将室温超导材料商业化。 “无论机制如何，常温常压条件下的超导材料的前景都是诱人的。例如，超导材料可以制造出强大的磁体，用于磁共振成像（MRI）。MRI技术自半个世纪前首次出现以来，对医学诊断产生了深远影响。这种材料也可以用于磁悬浮，研发出高速稳定的超导磁悬浮列车。因此，新的氢化合物有望使这些技术更接近现实。”靳常青和塞珀利共同表示。 “建议大家不要盲目乐观。”罗会仟告诉《中国科学报》，目前，虽然金属氢化物超导材料的临界温度提高了，但还需要高压合成测量等技术，产量低且成本高，很难实现大规模应用。只有未来实现了室温超导的工业化量产，才能处处见到超导体。 相关论文信息： https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0 https://www.nature.com/articles/d41586-023-00599-9 |
2楼2023-03-13 11:39:12
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室温超导轰动性研究8天就翻车？ 闻海虎 图片来源：南京大学 “这个结论肯定是推翻了，毋庸置疑的。”南京大学超导物理和材料研究中心主任闻海虎对《中国科学报》说出这句话的时候，语气足够坚决。 “这个结论”，指的就是当下大火的美国罗切斯特大学Ranga Dias团队的室温超导研究。他们宣称自己研发的一种镥氮氢材料在近1万个大气压（1GPa）下实现了室温超导。 3月15日，闻海虎团队在预印本网站arXiv提交了一篇包括9名作者、长达16页的研究论文，直截了当否定了Dias的研究结论。论文结论称：“我们的实验清楚地表明，从环境压力到6.3GPa，温度低至10K（约-263摄氏度），镥氮氢材料LuH2±xNy中不存在超导性。” 这距离Dias的研究发布只有8天，如果实锤，Dias将会再次被打脸。 复刻Dias实验 3月7日，看见Dias在美国物理学会会议上的报告结果后，闻海虎火速安排重复实验，“我们的初步样品很快出来了，后来又作了一些调整”。 为何效率如此之高？闻海虎称，这是他们团队加班加点共同努力的结果。事实上，这个复刻实验“难度不是很大”，但是“测量起来还是有难度的”，因为需要精细的信号，而数据分析也是有难度的，幸好他们“平时有很好的积累”。 实验并非完全复刻。闻海虎发现，Dias给的制备样品方案几乎不可行，于是他们结合自己的条件，完全以新的方式进行合成并得到了镥氮氢材料。X射线衍射仪技术检查显示，该材料结构与Dias的样品几乎一致，且能量色散X射线光谱仪分析也发现了氮元素。 闻海虎团队随即在6万个大气压以下的不同压力中，对该材料电阻进行了测量，发现低至10K都没有超导发生。同时，他们也进行了仔细的磁化测量，发现没有超导所需的抗磁信号。闻海虎说，这些发现足以否定Dias的常温低压下的超导结论。 因为Dias没有说明其研究材料中的氮含量，目前只能以材料结构来讨论。闻海虎说，尽管样品中氮含量或许有所不同，但是材料结构一样、3种元素兼具，这个情况下要有超导就应该产生了，“不能说那一点成分的改变会决定超导或不超导”。 为什么Dias的制备样品方案不可行呢？Dias的方案是，用两个小金刚石对微腔中的镥、氮气和氢气在65摄氏度下加压到1万个大气压。闻海虎分析说，Dias的材料制备方法存在明显的不合理性，65摄氏度太低，这个温度下能产生金属和氮气、氢气的反应是不可思议的。 闻海虎说，Dias可能给了一个错误的条件，或许是温度少了一个“0”，“除非用激光加热，否则很难做出来”，然而Dias并没有提到激光。闻海虎团队采用了高温高压炉来烧，很快就得到了镥氮氢材料。 闻海虎考虑得更严谨。他说，这个材料在几十万个大气压下是否会出现高温超导还不能下结论，“我们也正在做”。 需要更多的验证 从1968年到今天，物理学家一直在研究与氢有关的超导属性，硫化氢、稀土氢化物和碱土氢化物可以在超过200K的温度下转变为超导态。 Dias团队这次将氢化镥中的部分氢换成氮，并宣称在1GPa、20摄氏度的最高转变温度下测量到了超导。如果被证实，这将是史无前例的一大进步。 此前，中科院物理研究所研究员靳常青在接受《中国科学报》采访时，提及Dias这次研究的几个存疑细节，包括合成样品结构不清楚、氢的含量太低（与之前发现的富氢超导体迥异）。 为何氢的含量如此重要？这与学界对超导的一种固有认识有关。一般而言，超导材料中氢含量越高，其超导转变温度越高。 计算化学家、美国加州州立大学北岭分校副教授苗茂生告诉《中国科学报》，富氢超导体和低氢超导体二者是“完全不同的系统”，Dias的结论颠覆了已有的认识。比如十氢化镧超导转变温度为零下13摄氏度，已经很高了；而Dias的镥氮氢材料中，镥：氢摩尔比不到3，远远低于十氢化镧，其超导转变温度却高于十氢化镧。 苗茂生说，很难想象Dias的镥氮氢材料会成为一个电声子耦合超导。基于电声子耦合理论计算得出，这个材料的超导转变温度应该在十几K。 他提示，高压实验是非常难做的实验，样品特别小，合成条件又很难达到非常均匀，加上信号测量的噪声非常大，这些都是容易产生误判的因素。 除了闻海虎团队的论文外，近期还有数篇有关氢镥材料的类似研究发表。 更早的研究来自靳常青团队。3月9日，他们在arXiv发表研究称，多氢化镥在218GPa的压力下超导转变温度为71K（约-202摄氏度）；当压力释放到181GPa时，超导转变温度降低到65K（约-208摄氏度）。这些超导转变温度都远远低于室温。 中科院物理研究所研究员程金光团队于3月12日在arXiv发布了另一项研究。尽管他们的材料没有添加氮元素，但他们在高达7.7GPa的压力下对二氢化镥的测量表明，温度低至1.5K（约-272摄氏度）时没有超导性。 值得关注的是，Dias的两次“前科”让人无法对其研究放心。可测试、可重复和透明度是科学研究具有可信度的重要因素。Dias此前的两次重要研究，包括发表在《科学》杂志上的金属氢研究和发表在《自然》杂志上的碳氢硫超导研究，均未具备这些因素。 《自然》杂志也注意到了Dias的过往。靳常青和美国伊利诺伊大学香槟分校的David Ceperley在该期刊发表评论文章称，因为Dias关于碳硫氢化物高温超导的论文被撤回，对其最新研究的独立测量数据将有助于消除疑虑。 苗茂生也提醒说，既然《自然》杂志接受了Dias的工作，那么就要严肃地讨论它。如果要否定他的工作，那么就需要更多的证据和重复性验证，后续应该会有多个验证论文很快发表。 （原标题：南京大学闻海虎团队重复实验再次推翻美国室温超导轰动性研究） |
3楼2023-03-20 09:50:30
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4楼2024-09-18 08:43:48
