在其“首个室温超导体”论文去年被《自然》强制撤稿之后，3 月 8 日，美国罗彻斯特大学助理教授兰加·迪亚斯（Ranga Dias）团队又将一项新结果发表在《自然》上：在 1 万个标准大气压下、21℃ 即可实现的新的室温超导体。

现有的商业实验设备完全可以实现 1 万个标准大气压，因此本次实验条件相对容易达到，很快就会有科学家验证该结果。
实验时使用的金刚石对顶砧。图片来源：Adam Fenster / University of Rochester
本文转载自公众号“环球科学”
撰文：王昱
审校：王怡博
从 1911 年人类第一次发现超导现象以来，实现室温、可实用的超导材料就是一代代科学家的梦想。如果真的找到了这样的材料，我们可以用它构建输电网络，每年省下 2000 亿度电；大幅降低功能磁共振的成本，拯救更多生命；甚至我们能拿它来构造托卡马克（一种利用磁约束实现受控核聚变的环形容器），掌控核聚变，彻底解决能源问题。
3 月 8 日，美国罗彻斯特大学（University of Rochester）助理教授兰加·迪亚斯（Ranga Dias）团队在《自然》（Nature）上发表论文称，他们制备了一种材料，可以在 1 万个标准大气压（1 个标准大气压为 0.1 兆帕）下实现室温超导，临界温度约为 21℃。
超导材料样品。图片来源：University of Rochester photo / J. Adam Fenster
对于我们普通人来说，1 万个标准大气压听起来遥不可及，但在科学家和工程师眼里，实现这样的高压算不上一件很难的事，现有的商业实验设备就能实现。事实上，如此高的压力通常被科学家他们称为近常压（near ambient pressure）。
与此同时，美国拉斯维加斯正在举办美国物理学会年会（APS March Meeting）。这篇论文的通讯作者迪亚斯在那里举办了一场演讲，现场座无虚席。演讲开始前，安保人员甚至不得不赶走一些旁观者确保人群安全。
迪亚斯的成果无疑是一剂强心针，我们似乎离室温超导的梦想更近了一步。但就算这项最新研究已经在《自然》上发表，似乎也有不少人对实验结果表示怀疑，因为迪亚斯是一个充满争议的科学家：他和同事在 2020 年发表的室温超导论文已经被《自然》撤稿——有科学家发现他们的磁化率数据有被捏造的嫌疑，而且其他实验室都未能复现他们的结果；此外，他还有一篇于 2017 年发表在《科学》（Science）上、关于金属氢的论文，这篇论文的结果也没有同行能复现出来，并且论文的关键证据——金刚石对顶砧里金属氢的照片，竟然是用 iPhone 拍摄的，这显得极不专业。
Ranga Dias 用 iPhone 拍摄的金属氢图像。图片来源：SCIENCE 26 Jan 2017 Vol 355, Issue 6326 pp. 715-718
为了了解事情的原委，我们还是要熟悉一下近年来超导方面的实验进展。
超导炼金术
1911 年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）就已经发现了超导现象，超导体能在自身临界温度 Tc 之下，完全失去电阻。直到 1957 年，人类才有了第一个能真正描述超导现象的理论——BCS 理论。总体而言，这种理论认为超导现象是一种由“库珀对”（Cooper pair，由两个电子结合而成）导致的量子现象。1968 年，尼尔·阿什克罗夫特（Neil Aschcroft）提出，氢原子或许就是让“库珀对”更稳定的关键。这或许可以产生真正的高温超导，甚至是室温超导。但如果使用单一的氢分子，可能需要非常苛刻的实验条件（数百万个标准大气压）才能实现超导。然而，如果向氢中添加另一种元素，就有可能打散氢分子的结构，释放出氢原子，让其振动，足以支撑高温超导。
基于这一思路，科学家已经相继发现 CaH6、H2S、H3S 能在“高温”条件（约-233℃）下实现超导。2019 年，美国科学家马杜里·索马亚祖鲁（Maddury Somayazulu）的研究组宣布，十氢化镧（LaH10）在 190 万个标准大气压下，可以在约 -13℃ 实现超导，这已经逼近了室温，曾是超导临界温度的最高纪录。
近年来超导材料的进展。图片来源：wikipedia
2020 年，迪亚斯团队在《自然》上发表论文，表示他构建了一种碳-硫-氢三元体系超导材料，它可以在约 260 万个标准大气压下实现室温超导，临界温度约为 15℃。当时他在接受《环球科学》的采访时表示：“之前从未有人预测到过这种碳-硫-氢三元体系的超导性，我们在这个领域摸索了很多年，整个团队也都按照‘模仿金属氢状态’的思路来寻找超导体，”这也是之前预测可能寻找到常温超导体的方向，因此迪亚斯认为，此次的发现既是意料之外，又在情理之中。
在最新发表于《自然》的论文中，迪亚斯团队同样揭示了一种三元体系的超导材料——镥-氮-氢体系。迪亚斯表示，镥看起来是“值得尝试的候选”。镥是 71 号元素，代号 Lu，14个电子填满了它的4f轨道，这让它能压制声子软化效应，并增强电子和声子的配对，从而实现室温超导。“关键的问题是，如何来稳定这个体系，降低压力要求？这就是氮出现的作用。”迪亚斯表示。氮的原子结构稳定，可以创建更稳定的笼状晶格结构，并增强低频光学声子，可以在较低的压力下使超导更稳定。
为了制备这样的超导材料，研究团队首先制备了由 99% 氢气与 1% 氮气组成的混合气体，然后将纯镥样品放入其中，在 200℃ 下反应 2～3 天。最终，他们制备了一种亮蓝色的样品。但在正常的环境下，这种材料并没有超导性。
为了获得超导性，迪亚斯团队给制备的样品施加了压力。他们发现，样品在约3000 个标准大气压的条件下从蓝色变成了粉色——这时它也具有了超导性。随着压力的升高，材料的临界温度越来越高，直到压力达到约 1 万个标准大气压时，临界温度达到了约 21℃。如果继续加压，材料的临界温度会逐渐降低，当压力达到约 3 万个标准大气压时，材料从粉红色变成了红色，同时也失去了超导性。研究团队开玩笑地将这种物质命名为“红物质”（reddmatter），来致敬 2009 年的科幻电影《星际迷航》。
镥-氮-氢三元体系超导材料在不同压力下的变化。图片来源：原论文
约 1 万个标准大气压的压力看起来很高，但它也只是以往实验所需压力的 1%。在以往的实验中，科学家需要用金刚石对顶砧才能实现接近地心的压力。这需要将两块金刚石顶在一起，在金刚石碎裂的边缘疯狂试探。没有多少实验室有足够的经费进行这样的实验，虽然这项新研究中迪亚斯团队使用的仍是金刚石对顶，但理论上，其他科学家能够用其他更廉价的仪器实现这样的压力，从而尝试复现迪亚斯的结果。
充满争议的科学家
迪亚斯早就想做近常压室温超导体了。2020 年，他的室温超导体论文在《自然》上发表，那时需要大约 260 万个标准大气压，这相当于地心压强的四分之三。目前他已经创办了一家名为 Unearthly Materials 的公司，目标是通过“成分调谐”（compositional tuning）在常压下生产出稳态或亚稳态室温超导材料。
光化学合成C-S-H系统的显微图像。图片来源：Ranga Dias
但正是2020年这篇发表在《自然》上的论文给迪亚斯带来了不少麻烦。德国马克斯·普朗克化学研究所（Max Planck Institute for Chemistry）的实验物理学家米哈伊尔·埃雷梅茨（Mikhail Eremets）认为迪亚斯的团队不愿意透露更多的研究细节，并称他至少尝试重复了 6 次实验，却都失败了。再加上，美国加利福尼亚大学圣迭戈分校（UCSD）物理学家、H-index 发明者豪尔赫·赫希（Jorge Hirsch）认为其中存在数据操纵等问题。除了没有电阻，完全抗磁性也是超导体的一项关键属性，并且超导体在磁场下的性质也会有所不同，所以超导实验往往也要涉及磁场测量。赫希泽认为，碳-硫-氢三元体系的交流磁化率在超导临界温度以下有异常上升的现象。
更要命的是，迪亚斯论文的部分交流磁化率数据与 2009 年《物理评论快报》（Physics Review Letter）上一篇关于高压下铕超导性的论文的数据“非常相似”。而2009年论文的第一作者也参与过迪亚斯团队的研究。
从 2021 年 11 月起，赫希和迪亚斯在预印本网站arXiv上展开了一系列论战。双方言辞十分激烈，赫希甚至直言称迪亚斯是“学术欺诈”（scientific fraud），而迪亚斯也无法解释所有的质疑。
这场论战甚至使赫希在 2022 年 2 月被 arXiv 禁止发布论文 6 个月。不过，关于碳-硫-氢三元体系超导材料的质疑并没有消失。2022 年 9 月 26 日，《自然》决定撤回那篇 2020 年的论文。编辑撤稿声明显示，该研究关键数据处理和分析的有效性受到学界质疑。尽管作者坚持认为原始数据能为论文的主要结论提供有力支持，但在过去两年时间里，其他科学家对研究数据的质疑削弱了论文可信度。对于《自然》做出的撤稿决定，该论文的九名作者均表示反对。迪亚斯表示：“我们坚持我们的工作，它已经得到了实验和理论的验证。”
截自《自然》杂志网站。
就算到现在，关于 2020 年《自然》论文中的碳-硫-氢三元体系的争议也没有完全平息。而迪亚斯不仅没有做出令所有人都满意的回应，还公布了更加不可思议的结果，并且，他还拥有一家超导商业公司——这就不得不令人怀疑本次实验的真实性了。美国物理学会年会似乎也意识到了其中的火药味，专门把赫希和迪亚斯安排在了同一个会场，这或许也是现场座无虚席的原因之一。
迪亚斯表示，本次研究并非在他们自己的实验室实施，他们分别在阿贡国家实验室和布鲁克海文国家实验室进行了实验，并且当场就有科学家看到了这种超导材料转变的过程。
当然，既然迪亚斯已经公开了实验结果，并且本次实验条件相对容易达到（现有的商业实验设备完全可以实现1万个标准大气压），那么很快就会有科学家验证他的实验结果。
迪亚斯似乎对他的实验结果感到非常乐观。他甚至表示，他已经用实验室中超导实验积累的数据训练了机器学习算法，来预测其他可能的超导材料。毕竟，在元素周期表上，可以出现 4950 种双元素组合，而三元素组合可以达到 161 700 种。利用机器学习算法可以从其中更高效的筛选出合理的组合。
究竟是室温超导实用时代的开篇，还是另一次惊天学术欺诈？相信不久后我们就会得到答案。
本次论文：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0
被撤稿论文：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z
参考链接：

https://www.rochester.edu/newscenter/highest-temperature-superconducting-materials-metals-reddmatter-551382/
https://mp.weixin.qq.com/s/0hURlnmS8wnQaHww7vEXqQ
https://mp.weixin.qq.com/s/2x10IYuM6OpxeeD4AgWqmQ
https://mp.weixin.qq.com/s/GberzbutaZOkmzHah03-KQ
https://mp.weixin.qq.com/s/svDruyTECtIEKhG6jMI2Aw
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.117003?ft=1#fulltext
《“室温超导” 论文撤稿早有伏笔？
两年网络论战与顶刊的一地鸡毛》

https://mp.weixin.qq.com/s/EWiDZkuGkXNaE1ckYLqefg
《逼近室温超导》，《环球科学》2019年11月刊

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（ID: huanqiukexue）
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