作者:高雅丽 韩扬眉 来源:中国科学报微信公众号 发布时间:2023/3/9 18:53:45
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物理学界炸了、股民熬夜学习……专家却说,这项成果细节存疑

 

3月8日,赌城拉斯维加斯,一场专业的学术报告,瞬间让物理学界沸腾了。

而接下来,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彻斯特大学的朗加?迪亚斯(Ranga Dias)团队,他宣布: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”甚至未能有缘挤入会场。

小小报告厅里更是人满为患。虽然无缘现场亲眼见证热闹情形,但《中国科学报》独家专访到了受《自然》邀请、对迪亚斯最新研究撰写评论文章的我国学者。

物理学家Ranga Dias说,他发现了一种在室温和相对低压下超导的材料。图片来源:罗彻斯特大学

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。

而学界围绕他的争议,也一直没有消停过。

2017年,迪亚斯宣布发现了金属氢,但因为在后来实验中操作失误,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在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们的反对,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,这削弱了编辑们对这些研究结果的信心。

因为这些“前车之鉴”,科学家们对这次轰动性的最新结果“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,论文样品中存在的氢含量相对较少。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,但能不能经得起细致推敲仍然存疑。第三方能否独立重复他们的实验至关重要。此外,已有理论是否能对他们宣称的发现给予合理解释,也需要进一步研究。”

新发现的这一室温超导究竟是一种怎样的材料?

迪亚斯介绍,这种镥-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℃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,但迪亚斯论文中也提到,成功率只有30%。

靳常青认为,能够验证超导的主要的几个特征,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,表面上找不出太大的毛病,这也许是《自然》接受其发表的一个原因。”

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大,应该可以精确表征结构,但是并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:氢摩尔比只有不到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,可能存在的超导机理。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 (Lu-N-H)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》,以前大多数情况下,大部分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,再变成了红色。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,最终还要靠实验来检验。

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”来建立。

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,这种特性最大的用途是用于磁悬浮。

事实上,在迪亚斯发现之前,硫化氢、氢化镧等氢化合物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,再加之金刚石成本高、实验中稍有不慎便易碎,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。这种材料也可以用作磁悬浮,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上去了,但还需要高压合成测量等技术,产量低且成本高,很难有大规模应用。只有未来实现了室温超导的工业化量产,才有希望处处见到超导体。

参考文献:

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05742-0

https://doi.org/10.5281/zenodo.7374510

https://mp.weixin.qq.com/s/gSNcA_lF-J-MR4gRpehrLw

https://new.qq.com/rain/a/20230309A02D1M00

 

 
 
 
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