完整現場視訊!21℃室溫超導引爆物理圈,曾被撤稿研究再登Nature

機器之心編輯部

若最終能夠實現應用,我們就不用再擔心電池沒電了。

凝聚態物理學是當今物理最大、最重要的分支學科之一,凝聚態物理的「聖盃」之一就是高溫超導。

本週二下午,在拉斯維加斯舉行的美國物理學會(APS March Meeting)三月年度會議上,羅切斯特大學的物理學家 Ranga Dias 發表了一場座無虛席的演講,他宣佈他和他的團隊已經實現了該領域的百年夢想:一種超導體,能在室溫和接近常壓的環境下工作。

如果誰能在室溫條件下實現超導,就可以說開啟了一場新的技術革命:人們對於演講的興趣極其強烈,以至於安保人員在演講開始前 15 分鐘就開始阻止更多人進入人滿為患的房間。在 Dias 開始講話前不久,還可以聽到他們在將好奇的旁觀者趕走。

Dias 等人的研究今天發表在科學頂刊《自然》雜誌上,該研究成果似乎表明,一種傳統導體 —— 一種由氫、氮和稀土金屬鎦組成的固體 —— 被轉化為一種完美無瑕的材料,能夠以完美的效率導電。

論文連結:https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0

此前,人們只有在極冷的溫度或超高壓力下才能觀察到超導性 —— 這些條件使實驗材料無法用於長期、常規的應用,例如無損電力傳輸、懸浮高速列車和平價醫療影像設備。

而在新研究中,人們鍛造的化合物成功在 21 攝氏度(69.8 華氏度,294K)和大約 1 吉帕的壓力下無電阻地傳導電流。這仍然是一個很大的壓力 —— 大約是馬裡亞納海溝最深處壓力的 10 倍 —— 但它比以前使用類似材料進行的實驗所需的壓力低 100 多倍。

近百年科學家們在超導材料上的探索路程

近百年科學家們在超導材料上的探索路程。

這裡把作者發表演講的完整視訊奉上,看得懂的讀者們可細細品味:

佛羅里達大學物理學家 James Hamlin 評價說:「如果這是真的,那麼他們的研究完全是革命性的。室溫超導是人們一個世紀以來的夢想。現有的超導體需要昂貴而笨重的冷卻系統來無摩擦地導電。室溫超導體的誕生將使得電網、計算機晶片以及磁懸浮列車、核聚變發電所需的超強導體更加高效。」

21℃,實現室溫超導

這項研究中所涉及的超導形式要求電子相互耦合,形成所謂的庫珀對(庫珀對是美國物理學家 Leon Cooper 於 1956 年首次提出的描述在低溫下一對電子或其他費米子以某一方式束縛在一起的理論)。促進庫珀對形成的一個因素是與這些電子相關的原子核之間的高頻振動(稱為聲子)。這在輕核中更容易安排,而氫是周圍最輕的。因此,尋找將更多的氫塞入化學品的方法被認為是生產更高溫度的超導體的可行途徑。

然而,要做到這一點,最可靠的方法就是承受極大的壓力。這些壓力可以促使氫氣進入金屬的晶體結構,或者形成在較低壓力下不穩定的富氫化學品。這兩種方法都產生了具有非常高的臨界溫度的化學品,這是它們支持超導性的最高點。然而,雖然這些已經接近室溫,但所需的壓力是多個吉帕斯卡(Gigapascal)—— 每個吉帕斯卡是海平面大氣壓力的近 1 萬倍。

從本質上講,這相當於用不切實際的溫度換取不切實際的壓力。

然而,我們希望的是常溫和常壓,我們可以利用這些化學品來確定產生這種富氫超導性的一般原則,然後利用這些原則來確定在更容易維持的條件下顯示類似行為的其他化學品。

研究小組將注意力集中在鎦(Lutetium,原子序數71)上,因為它的電子軌道的佔用應該會提供更多的電子,這些電子可能參與形成庫珀對,使超導更容易實現。該研究還添加了微量的氮,以通過摻雜材料使結構更穩定,從而有可能降低所需的壓力。

很明顯,在進行測量之前,鎦 / 氮 / 氫的混合物發生了一些變化。在環境條件下,添加這兩種氣體會使鎦變藍,這可能是由於氫滲入了金屬。但隨著壓力增加到數千個大氣壓,混合物變成了戲劇性的粉紅色,結果證明這與混合物變成金屬有關。繼續將壓力增加到超過 30000 倍大氣壓,它失去了金屬特性並變成了更深的紅色。

近環境下鎦 - 氮 - 氫的超導性壓力

近環境下鎦 – 氮 – 氫的超導性壓力

從 3000 到 30000 倍大氣壓範圍內,超導性是有可能的。因此,研究人員在這個壓力範圍內進行測試,從而幫助找到支持最高臨界溫度的壓力。該研究發現溫度為 294 K,大約為 21°C,和室溫差不多,這種材料似乎失去了對電流的阻力,前提是氣壓峰值大約是大氣壓的 10000 倍。

此外,超導性也改變了材料的磁性,並且論文中的大部分內容都討論了測量樣品的磁性。其實研究樣品磁性並不是一件容易的事,考慮到樣品會非常的小,而且它們往往被夾在所有需要在極端壓力下粉碎樣品的硬體之間。

為了弄清這種材料是什麼,科學家們做了大量的工作。幾乎可以肯定的是,它包含一些融入到金屬中的氫和氮,但目前還不清楚有多少,因為任何多餘的兩種氣體都可以簡單地從樣品中排除。研究人員試圖對它進行晶體學研究,但結果有些含糊不清。氫(原子量為 1)的信號被鎦(原子量為 175)的信號所淹沒,而且氫有可能在該材料中移動。

因此,儘管他們確定了氫可能在材料中的位置,但並不清楚這些位置有多少被實際佔據。而這將使從這種材料的行為中提取更大的原則成為一種挑戰。

撤稿疑雲

撤稿疑雲

Ranga Dias。圖源:J. Adam Fenster/University of Rochester

鑑於 Ranga Dias 研究小組最近一次撤稿事件,許多物理學家表示不會再輕易相信。Hamlin 說:「我認為他們必須做一些真正的工作,並真正開放,人們才會相信它。」

加州大學聖地亞哥分校的物理學家 Jorge Hirsch(他也是 H-index 發明者),也是該團隊早期工作的批評者,甚至表達得更加直接:「我對新結果比較懷疑,因為我不相信這些作者。」

值得一提的是,Jorge Hirsch 這次 APS March Meeting 的報告和 Ranga Dias 被安排在同一個會場,前後腳上臺,會方可謂憑空增添了對峙的氣氛。

Jorge Hirsch(站立者)與 Ranga Dias。圖片來自知乎 @芝了,https://www.zhihu.com/question/588302961

2020 年,由物理學家 Ranga Dias 領導的研究小組報告了碳、硫和氫(CSH)的微小斑點中的超導性,一度引起轟動,該小組通過將兩顆金剛石尖端之間的材料擠壓到數百萬倍的大氣壓強來實現。科學家們此前已經制造出了其他富含氫的超導體,被稱為氫化物,但它們必須被冷卻到 250K(-23℃)或更低。CSH 在 287K 的溫度下進行超導,即葡萄酒冰箱的溫度。

當時,《科學》雜誌對這項研究的報道標題是「終於,室溫超導實現了」。

但是其他研究人員無法復現 CSH 的結果,並抱怨該研究的配方含糊不清且不完整。其他研究人員則發現該小組測量材料磁性行為的方式有問題,而磁性行為是超導性的一個關鍵標誌。

一年後,Dias 和他經常合作的內華達大學拉斯維加斯分校物理學家 Ashkan Salamat 以 149 頁檔案的形式發佈了原始資料,詳細介紹了一種不尋常的、複雜的消除背景磁干擾的方法。這種方法與他們在原始論文中描述的程序不一致。

最終,在所有作者的反對下,《自然》雜誌於 2022 年 9 月撤回了這篇論文。

那麼這一次,其他實驗室是否能夠複製這種材料並確認其超導性?

Hamlin 說,雖然世界上只有少數幾個小組能夠在令人難以置信的金剛石高壓砧下工作,以看到 CSH 中的超導性,但大概有幾十個實驗室能夠在較低的鎦基材料的壓力體系中工作。Dias 說,過去幾個月他的實驗室一直在研究一種方法,將金剛石砧室完全從工藝中移除,這可以進一步加快確認這一發現。

為了讓其他實驗室完全複製這些結果,該小組必須願意分享整個原始資料集以及詳細的樣品製備方法,或者將他們的材料樣品發送給其他實驗室進行測試。然而,外部訪問可能達不到社區的希望。Dias 和 Salamat 成立了一家創業公司 Unearthly Materials,該公司已經從包括 Spotify 和 OpenAI 的 CEO 等投資者處籌集了超過 2000 萬美元的資金。他們最近還申請了關於氫化鎦的專利,這將阻止他們郵寄樣品。

「我們對如何製作我們的樣品有明確、詳細的說明,」Dias 說。「考慮到我們工藝的專有性和存在的智慧財產權,我們不打算分發這種材料。」

網友怎麼看?

一場會議報告之後,該訊息已經在全球都引起了轟動。一個重大的科學突破會受到全世界的高度關注,那麼必然也要經受住人們的質疑,對於經歷過撤稿風波的 Ranga Dias 團隊尤其如此。

有網友表示,鑑於這位作者之前的行為,這個工作需謹慎對待。

圖源:知乎網友 @Tycho

圖源:知乎網友 @Tycho

昨晚有網友看完直播之後,就演講中的實驗資料和細節提出了疑問。如果 Ranga Dias 團隊能夠闡明實驗中一些設置的用意,解釋資料中存在的疑點,這項研究的成果就會更令人信服。

圖源:知乎網友 @洗芝溪

圖源:知乎網友 @洗芝溪

還有網友表示,如果結果經不起推敲,科學家的信譽將受到極大損害。

看來,Dias 這一次對於凝聚態物理聖盃的衝擊是否成功,還需要更多科學家的進一步驗證。

參考內容:

https://www.zhihu.com/question/588302961

https://meetings.aps.org/Meeting/MAR23/Session/K20.2

https://www.quantamagazine.org/room-temperature-superconductor-discovery-meets-with-resistance-20230308/

https://arstechnica.com/science/2023/03/room-temperature-superconductor-works-at-lower-pressures/

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