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                室温超导体发现遇到阻力

                2023-03-14 09:51

                《自然》杂志☆的一篇论文报道了一种在室温和接近室温的压力√下运行的超导体的发现。这一说法引起了研究界的分歧。

                超导性的一个标志是迈斯纳效应,它从材料中排除所有磁场——一种允许超导卐体悬浮的特性,如图所示。研究人员声称在他们的新材料中观察到了迈斯纳效应。

                周二下午,在拉斯维加斯举行的美国物〗理学会 3 月年度△会议上,罗彻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ω 百年梦想:一种超导体在室温和接近室温的压力下工作。人们对演讲的兴趣如此强烈,以至于安保人员在演讲开始前 15 分钟就停止进入人满为患的房间。在迪亚斯开始讲话前不久,可以听到他们将好奇的旁观者赶走。

                今天发表在《自然》杂志上的研◎究结果似乎表明,一种传统的导体——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。

                虽︾然这一声明受到一些科学家的热情欢迎,但其他科学家则更为谨慎,指出该研究小组因涉嫌研究渎职而引起争议的历史。(Dias 强烈否认这些指控。) Quanta联系的 10 位独立专家的反应从肆无忌惮的兴奋到完全不屑一顾,其中许多专家表达了某种形式的谨慎乐观。

                以前,只有在寒冷的温度或压碎的压力下◤◤才能观察到超导性——这些条件使这些材料无法用于长期需要的应用,例如无损电力线、悬浮高速列车和负担得█起的医疗成像设备。新锻造的化合物在 21 摄氏度(69.8 华氏度)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。

                “如果结果证明是正确的←,这可能是超导历史上ㄨ最大的突破,”佛罗里达》大学的物理学家James Hamlin说,他没有参与这项工作。他说,如果这是真的,“这将是一个惊天动地、开创性、非常令←人兴奋的发现。” 但涉及该团队之前工作的事№件——包括但不限于2020 年在《自然》杂志上发表并于去年年底撤回的近室温超导性声明——给今天的公告蒙上了阴影。“很难不怀疑以前工作中未解决的一些相同问题是否也存在于新工作中,”哈姆林说。

                达到→所有基准

                一个多世纪以╱来,科学家们已经知道,将大多数金属冷却到绝对零度几度以内的温度会导致剧烈的变态。在这个因材料而异¤的“临界温度”附近,电子配对并形成一种量子流体。一旦发生这种情况,电子将不再弹回材料中的原子——相互作用会产生阻力——这使得它们可以在没有能量损失的情况下流动。

                从那时起,超导研究的首要目标就是提高临界温度。

                几十年来,物理学家取得了♀渐进的进步,通过测试元『素的不同组合稳步提高了临界温度。近年来出现了一类很有前途的材料,称为氢化物。氢化物是将轻量级◥的氢与硫或金属等较重的原子结合在一起的化合物。物理学家认为,氢越多,超导性越好。研究人员有时会添加其他原子,例如■碳或氮,以进一步调整其特性。2015 年报道的第一个超导氢化物在大约负 70 摄氏度和 155 吉帕∮的压力(接近地球核心压力的一〓半)时发生转变。三年之内,同一组和另一组两者都激起了更多富含氢的“超氢化物”材料,这些材料可以在高达负 13 摄氏度和 190 吉帕㊣的温度下超导。

                新研究推翻了过去的所←有记录。在过去的几年里,迪亚斯的团队一直在研究基于镥的超氢化物。为了制作样品,该团队将镥薄膜浸】入含 99% 氢气和 1% 氮气的香水中,同时在 200 摄氏度下●烘烤几天。然后金刚石砧座№将以 2 吉帕的压力╲压缩样品。然后,该团队将逐渐松开铁砧,同时测试样品的超导特性。Dias 说,在生产的数百个样品中,即使压力⊙降至约 1 吉帕,他们也〒能够在数十个样品中观察到超导性。

                为了证明超导性,该团队达到了三个教科书基准。在临界温度下,它们显示出电〗阻下降和与材料升温容易程度相关的属性峰值。该ξ 团队还设法直接测量了磁场从样品中排出』的情况——这是一种明确的超导特征,称为迈斯纳效应,此前从未在超氢化物中得到令人信服的证明。奇怪的是,样品的颜色也随着其相变而从蓝色变为@ 粉红色再变为红色。

                这篇论文的情节正是研究◆人员在测试超导性时所寻找的。强有力的证据让许多科学家兴奋不已,他们花了数十年时间寻找可以使这种现象更接近日常生◣活的材料。

                “看到结果我真的很兴奋。我丝毫不怀疑他们观察到的就是事实,”剑〓桥大学的物理学家Siddharth Saxena说,他没有参与这项新工作。布法罗大学的理论化学家 Eva Zurek 经常与罗切斯特小组交流,但也没有参与这项研究,她说,在这些条件下超导≡的材料“将以我们无法Ψ 想象的方式影响我们生活的方方面面” Hamlin 同意该演示“是你希望在这种材料上看到的各种测量〇的杰作,产生的数据正是你希望看到的类型。”

                麻▃烦的历史

                然而,哈姆林和其他研究人员▲坚持认为,该组织的过去要求对今天的历史性主张进行历史性的审查。

                “如果你从表面上看,这里有很多超导性的证据,”加州大学圣▂地亚哥分校的物理学家豪尔赫赫希说∞。“但我不相信这些作者所说的任何一个。我一点也不卖。”

                赫希说,他的不信任源于长期以来对该组织前任和现任成员的研究渎职指@控,他对其中的许多成员施压。最近,在 2020 年,Dias 和他的合著者发表了一项关于碳质硫氢化物 (CSH) 的研究,该研々究在大约 14 摄氏度(57.2 华氏度)和 267 吉帕时达到了临界转变。几位专家几乎立即在用于验证材料对磁场响应的数据中发现了异常模式。当 Dias 和他经常合作的内华达大学拉斯维加斯分校的物理学ξ 家Ashkan Salamat一年后以149 页文件的形式发布了他们的原始数据,他们详细介绍了一种不寻常且复杂的消除背景磁干扰的方法——他们说这是检测被小样本拒绝的微小磁场所必♀需的方法。这种方法与他们在原始论文中描述程序的︽方式不一致,这导致《自然》杂志于◇去年 9 月撤稿。

                赫希和其他物理学家声称,这种不当行为超出了对磁场背景的误导性混淆。9 月,Hirsch 和日内瓦大学名誉教授Dirk van der Marel发表声︼明称,Dias 和 Salamat 发布∩的原始 CSH 数据实际上是从已发布的数据中导出的。“[我们]基本上从数学上证明了原始数据不是在实验室中测量的;它们∮是捏造的,”赫希说。Hamlin 去年 10 月独立发布了一份预印本,声称电阻率数据似乎也以未公◣开的方式∩进行了处理——这是导致 2022 年撤回的问题的新指控。

                迪亚士大力捍卫他的工作。在撤稿后的几个月里,迪亚斯在阿贡国家实验室和布鲁克海文▅国家实验室对 CSH 材料进行了额外的ζ实验。在这些项目中,他邀请独立科学家观察材料的超导转变。他最近向《自然》杂志提交了一份新手稿,该手稿以严谨的态度重╱复了 CSH 中的高温超导性,他坚称这将消→除过去的指控。

                “我们工作的目击者证明了我们∞的发现。我们已经证明 CSH 可以实现超导性,就像‘reddmatter’一样,”Dias 说,他指的是该组织非正式的、受星际迷航启发的新镥基材料的名称。“你可以相信或不→相信这些证据——但你※不能忽视它。”

                伊利诺伊大学芝加哥分校的物理学家Nilesh Salke协助进行了新的测量,但没有参与 2020 年的研究,他说,“这项新工∏作证实了 CSH 中的超导性。” 他称这种新镥材料的发现“非常了Ψ不起”,并补充说这是“超导领域的一个重要里程碑”。

                然而,CSH 论文并不是唯一受到抨击的相关工作。CSH 论文的合著⌒者 Mathew Debessai 是2009 年一↙项研究的第一作者,该研究声称在第三种材料铕中具有超导性,该研究后来因提供更改数据而被撤回。(Dias 不是这篇论文的合著者。)Hirsch断言,在该出版物中,“数∏据被复制并粘贴到另一个区域。” 其他人也争辩说,迪亚斯最近另一篇论文中◤的一些数据是¤从该团队研究完全不同的物质时获取的数据复制而来的。

                Dias 强烈否认所有不当行为的指控,并继续努力严格证明他在日常温度下发现超↓导性的主张,以及高压物理学界几乎每◣天的压力。他强调,今天描述镥材料低压超导性的论文经历了异常严格的同行评审过程,涉及一年中大部分时间的多轮评审。迪亚斯还表示,他与《自然》杂志分享了↓他所有的原始数据,并将与新结果一起发表。多①位独立专家表示相信Nature有能力确保结果尽可ω能严格。

                “我敢肯定,《自然》杂志的编辑和审稿人在给出绿色信号之前肯定已经对它们进行了拷问,”Salke 说。

                “对我来说,很难想象第二次收缩,”领导发现氢化物超导体的德国马☉克斯普朗克化学∞研究所物理学家米哈伊◆尔埃雷梅茨说。“尽管有史前史,我们还是应该认真考虑一下。”

                迪亚斯强调,他和他的同事们在异常彻底的审查卐卐过程中一直保持完全透明。“这次我们付出∴了一切,”他说。“所有的◆技术和一切。审稿人可以访问所有数据。”

                非凡的审查过程,在不确定的历史之上分层,让一些研究人员陷入困境。“我不知道我还能相信什么↑↑,”范德马雷尔说。“这就是全部问题。”

                确认和商务

                最终,更广泛的研究人员社区的接受将掌握在其他实验⌒室手中。他们能否复制这种材料并确认其超导特性?有理由希望答案会相对较快地到来。

                虽然世界上只有少数几」个小组可以在 CSH 中观察超导性所需的令人难以置信的高金刚石砧压力下工作,但有数十个实验室可以在镥基材料的低压状态下工☆作,哈姆林说。迪亚斯说,在过去的几∑ 个月里,他的实验▼室一直在研究一种方法,可以从整个过程中完全去除金刚石砧座,这可以进一步加快确认这一发现的速度。

                哈姆林说,为了让其他实验室忠实地再现结果,该小组必★须愿意分享他们的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。

                但是,外部访问可能达不到社区的希望。Dias 和 Salamat 创立了一家名为Unearthly Materials 的初创公司,Dias说,该公司已经♀从包括 Spotify 和 OpenAI 的首席执①行官在内的投资者那里筹集了超过 2000 万美元的资金。*他们最近还申请了氢化镥材料的专利,这将阻止他们邮寄样品。“我们有关于如何制作样品的明确、详细的说♀明,”迪亚斯说。“考虑到我们流程的专有性质和现有的知识产权,我们不会分发这些材◣料。” 他建议“某些方法和过程”也不在讨论之列。

                “在不违反任何知识产权法的情况下,我们很乐意分享我们所做的事情,”Dias 说。“也有一些∴限制,但我认为我们可以解决一些问题。”