轰动业界的室温超导新材料是真的吗？Hindex作者发质疑

昨晚，科学界都在为室温超导的新发现而震撼。据Sciencenews报道，美国罗切斯特大学的物理学家 Ranga Dias及其团队日前在美国物理学会会议上宣布，他们找到了一种新的材料，名为三元镥氮氢体系(ternary lutetium-nitrogen hydrogen system)，实现了常温超导。

基于这种材料，在10Kbar压强下，超导转变的最高温度只要294K，也就是室温21度左右，已经达到了人类生活的常温水平。这个气压依然很高，相当于大气压的1万倍，但是跟以往实现常温超导的气压已经大幅减少，以前可能需要几万、几十万到上百万倍大气压。

消息发布后，在全球引起轩然大波。

不过，由于该团队在2020年10月发表的一篇同题论文受到质疑，最终导致《自然》杂志撤稿，这表明该团队的最新研究成果将面临更为严格的审查。

当年的质疑到底是怎样的呢？

2022年1月，一篇Arxiv论文在物理圈引起了不小的轰动。有多轰动呢？知乎上有人说，老板正在开着组会都没心思了。

　　“这个文献”的名字叫Comment on Nature 586,373（2020）by E. Sinder et al，名字简单粗暴。很明显，这是对一篇2020年的Nature旧论文有“不同看法”的文章。

　　Nature 586,373（2020）是什么样的一篇论文，为什么对这篇论文的质疑会引起业内的轰动？

　　这篇论文正是被作为2020年10月15日《Nature》的封面故事推荐，推荐的标题叫“Turning up the heat”，这是一句双关语，一个意思是“调高温度”，另一个意思是“施加压力”。

　　“施加压力”是原因，“调高温度”是后果。加在一起就是副标题的意思——“室温超导终于实现了！”

　　美国罗切斯特大学物理系助理教授Ranga Dias的研究团队，创造出了一种碳质硫氢化合物固体分子，这种材料在约15摄氏度（288K）和约267Gpa的压强下表现出超导性。

　　虽然还没有达到业内追求的300K（27摄氏度）的室温超导目标，但15摄氏度对超导研究的意义在于不仅极大的提高了SOTA的门槛，还其他研究者看到了胜利的曙光。

　　（做个不恰当的类比：2012年AlexNet并没有真正超越人类，但在将性能提升了十多个百分点的同时，还掀起了一波深度学习的研究浪潮。）

　　这还不是Ranga Dias最出名的研究。从Google Scholar看，他最出名的研究是发表于2017年的“金属氢”（Metallic Hydrogen）。

　　氢，它在常温是气体，在低温下变为液体，温度降到零下259℃时即为固体。“金属氢”的提法源于1925年英国物理学家John Bernal“任何元素加压都会具有金属导电特质”的猜想，并在1935年被美国物理学家Eugene Winger（1963年诺贝尔物理学奖得主）理论证明。

　　多年以来科学家们一直在努力尝试再造这种状态的氢，但均未能成功。

　　直到2017年1月26日, 《科学》杂志报道哈佛大学实验室成功制造出金属氢。金属氢论文的通讯作者，正是这位Ranga Dias。

　　向Ranga Dias发起挑战的Jorge E Hirsch也绝非泛泛之辈，他是UCSD物理系教授，被引用3万5千次，H-index 67的大牛。他被引用数最高的文章是2005年提出的“一种衡量个人科学研究成果的指标”。

　　对了，这项指标以他的名字命名——“H-Index”。

　　在Arxiv发表的新文章中，Hirsch质疑Dias在Nature 杂志发表的室温超导文章涉嫌数据操纵。

　　两大神仙的碰撞、对轰动业界研究成果的挑战，结果究竟如何？

1 质疑点在哪？

　　Ranga Dias在《Nature》论文中设计出了一种新型氢化物，这种由氢-硫-碳组成的材料，在巨大的压力下，室温时就能转变成超导体。

　　当时论文一经发表，学界惊呼（主要是凝聚态物质理论）：人类首次真正发现室温超导！

　　支撑文章观点的主要论点是：在175万个大气压下，样品冷却至-93°C就会发生超导转变。如果继续增加压力，超导转变的临界温度会不断提高。

　　当到达到267万个大气压时，只需把样品降低至15°C，就能看到电阻消失。

　　嗯，换句话说，Dias在在常温条件下发现了“零电阻和完全抗磁性”，这一超导现象的特征。

　　相对于原文的“长篇大幅”，Hirsch的质疑文章只有两页，主要攻击室温超导文章中磁化率数据的问题。

　　Ranga Dias的《Nature》论文说，在T=170K左右，磁化率发生突变，随着温度上升而陡然升高，这显然是超导相变。

　　Hirsch看到论文中某些区域的数据非常不连续，而且曲线斜率和变化方向相反。实验有误差很正常，但有规律的误差就不正常了。

　　于是， Hirsch把数据进行了差分，相当于去除了数据“杂质”，然后得到了一条平滑、可导的曲线。

　　结果显示：T=170K处的数据并没有发生剧变，并不存在超导特征。

　　此外，论文中有些数据看起来和2009年发表在《Physical Review Letters 》工作中使用的数据极其“相似”。而当年那些数据作者已经承认已经有问题。

　　因此，Hirsch得出结论：How these data have come about is unknown to us。言外之意：你操纵数据了。

　　目前，网友对于此问题分为三个阵营，其一认为“可以理解”：有时候有实验误差的数据确实和被操纵了一样。

　　其二认为Hirsch实锤：原文章并没有如实处理原始数据，而是做了一些不可思议的变换。

　　其三认为Hirsch的锤是锤了，但只锤了一点点：原数据可能是信号变太快了没锁住导致的。

　　无论哪方阵营，都需要 Dias出来正面回应，不过目前看来辩方选手有点落了下风。

2 神仙斗法，都有什么法宝？

　　能够在接近室温的条件下实现超导性，这无疑是一项振奋人心的突破性发现。

　　但据《Science》的报道，但当其他科学家试图复制这一发现，或者试图在其基础上进行拓展研究时，他们都失败了。

　　之前，Hirsch提出查看基本数据的要求也被一直拒绝。

　　有意思的是，论文的原始数据表格，居然是PDF里的一个截图......

　　知乎也有答主指出，Dias对数据遮遮掩掩的做法在生化环材领域很正常，“基操勿6”。

　　这也为Hirsch的“打假”制造了障碍。

　　但Dias回应Hirsch的指控表达颇有意味：Hirsch不是高压物理学家，他的指控带有偏见。

　　事实上，Hirsch在量子多体研究方面有很大的贡献，他完善了费米子行列式的蒙特卡洛 (determinant quantum Monte Carlo, DQMC) 算法。且这几年一直不屑于凝聚态物理学当下那些一地鸡毛般的杂碎问题，一直在攻击攻击各种高压超导实验和BCS理论。

　　例如这篇标题为“皇帝的新衣”Arixiv文章，直指BCS 超导理论中有“漏洞”，大量学者在该领域灌水，拿基金。

　　对于Hirsch质疑这篇《Nature》论文抛出的观点，《Nature》说：“编辑已收到与本文背后数据相关的未声明访问限制的警告。我们正在与作者合作更正数据可用性声明 ”

　　声明发表于2021年8月份，目前尚无更新。而Hirsch这篇Arxiv论文提交于2022年的1月19日。

　　旧事重提，想必是催促多方尽快给出答复吧：该公布数据的公布数据，该撤稿的撤稿。

　　值得一提的是，Dias确实有点前科。2017 年，Dias在哈佛当博士后时参与了导师 Isaac Silvera 的金属氢实验，发布了震惊世界的首块金属氢。

　　当年多方要求想看看金属氢长什么样子的时候，研究团队却说，由于操作失误，金属氢样本“消失”了。

　　时隔多年，至今无法见到金属氢的样貌。

　　不过，一码归一码，事情还没到最后一步，室温超导究竟啥样，还是让子弹飞一会儿。

3 室温超导体，凝聚态物理研究的梦想

　　超导材料具有零电阻和完全抗磁性,在传统电磁学领域和现代量子器件方面都有巨大的应用价值。

　　自1911年发现第一个超导体以来, 人们探索超导材料的脚步就从未停止过。

　　诸如金属合金、轻元素化合物、重费米子、有机化合物、铜氧化物、铁砷化物、铁硒化物等各类超 导体系不断被发现, 超导临界温度的记录也一再被刷新。

　　如何获得更高临界温度的超导体？学界常用方法是使用“高压”，即加大压力。

　　高压下, 原材料之间互相接触紧密, 化学反应速度要远远大于常压情况, 能提高材料合成效率, 有希望制备常压下不稳定的新材料。

　　室温超导之路可以追溯到20 世纪60 年代的一个预言，即氢原子团如果被充分压缩，可能会转变成一种在高温下超导的金属。

图注：各种超导材料发现的年代和临界温度记录, 插图为典型的超导体结构，图片来自《中国科学》

　　2004年，物理学家 Ashcroft进一步指出富氢的材料体系可能在较低的外加压力下实现高温超导。

　　2014年，吉林大学的马琰铭和崔田两个团队基于对ＢＳＣ理论的计算，也论证了富氢的材料体系实现超导的可能性。

　　2015年，德国马普化学研究所的Eremets研究组，首次实验发现高压条件下，硫化氢材料T=203Ｋ发生超导转变。

　　2019年美国华盛顿大学Hemley研究组也有相关论文产出。

　　而Dias小组的工作就是在Eremets硫化氢材料基础上额外添加了碳元素实现的。

　　但正如中科院谢心澄和北大王楠林两位教授在《中国科学基金》上点评的那样：目前所形成的室温超导体结构尚不清楚，实验结果也还需要其他研究组的重复和验证。

　　换句话说，将Dias室温超导的工作提升至“人类首次”还为时尚早。毕竟在高温超导35 年的发展历程中只诞生了一个。

　　如果提及原始创新，把范围扩展到整个超导领域110 年的历史，也只有1911年发现超导、1957年提出BCS理论、1962年发现约瑟夫森效应、1986 年发现高温超导等寥寥数次。

参考链接：

　　谢心澄,王楠林.首个室温超导体面世[J].中国科学基金,2021,35(02):233-234.DOI:10.16262/j.cnki.1000-8217.2021.02.016.

　　顾超.科学史视域下的原始创新：以高温超导研究为例[J/OL].科学学研究:1-17[2022-01-25].DOI:10.16192/j.cnki.1003-2053.20210810.002.

　　罗会仟.高压室温超导电性的新进展[J].中国科学:物理学 力学 天文学,2021,51(11):130-133.

　　https://www.163.com/dy/article/G7PSEGR90516DOTJ.html

　　https://www.zhihu.com/question/512731387/answer/2320382528