人類在21℃條件下實現(xiàn)室溫超導(dǎo)了？

物理圈徹底炸了！北京時間昨天下午，一顆驚雷在美國拉斯維加斯舉辦的物理學(xué)會上炸響——高溫超導(dǎo)疑似實現(xiàn)顛覆性突破。

會議上，美國羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家Ranga Dias報告了這個室溫超導(dǎo)研究的里程碑式突破。

假如這次Ranga Dias真的實現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，那全球的能耗問題，將從源頭上解決——人類將利用電能獲得巨大的力量。

如果再從根上掌握了可控核聚變，我們甚至可以進行遠(yuǎn)距離的太空旅行，可以說，人類就真的要起飛了。

而掌握這項技術(shù)的人，無疑將引領(lǐng)世界。（簡直是科幻走進現(xiàn)實。）

對此，佛羅里達大學(xué)的物理學(xué)家James Hamlin表示，如果結(jié)果是正確的，這可能是超導(dǎo)歷史上最大、最震撼的突破。

當(dāng)天，科學(xué)家們瘋狂涌入會場，都希望自己能親眼見證歷史。由于物理大咖含量過高，主辦方不得不叫來安保拼命堵門，驅(qū)趕人群。

然而呢，這位Ranga Dias卻有「黑歷史」的前科。一年前，他發(fā)在Nature上的C-S-H室溫超導(dǎo)文章曾被撤稿，如今他又帶著N-Lu-H的室溫超導(dǎo)卷土重來。

所以說，在實驗結(jié)果能成功復(fù)現(xiàn)之前，目前整件事還是疑云重重。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05742-0

再登Nature，室溫超導(dǎo)迎來大結(jié)局？

室溫超導(dǎo)為何如此重磅，讓全世界物理學(xué)家震驚？

超導(dǎo)體，顧名思義就是超級能導(dǎo)電的體，也就是電阻為零。這樣就傳輸電流就不會發(fā)熱，電線兩端不需要電壓。

如果超導(dǎo)體能實現(xiàn)商用，交流電就根本不需要了，變電站也可以退出歷史舞臺了。

而通過超導(dǎo)體的電流很大，就可以產(chǎn)生很強的磁場，在核磁共振、磁懸浮等領(lǐng)域都有極大的應(yīng)用，連可控核聚變都不需要液氮超導(dǎo)了。

如果真的實現(xiàn)，物理學(xué)、材料學(xué)界都會迎來一場大地震。（從去年底的ChatGPT，到今年初的室溫超導(dǎo)，人類科技的爆發(fā)年真的來了？）

高溫超導(dǎo)泰斗朱經(jīng)武教授也出現(xiàn)在了會場

超導(dǎo)是什么？

荷蘭萊頓大學(xué)K. Onnes等人于1911年首次發(fā)現(xiàn)在溫度冷卻到-269°C以下時，水銀的電阻會變?yōu)?。他們將這種狀態(tài)命名為「超導(dǎo)」。

這是世界首次發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象，Onnes也憑此斬獲了1913年諾貝爾物理學(xué)獎。

在之后的一百多年研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了成千上萬種超導(dǎo)材料，包括各種元素材料、合金材料、化合物材料和超導(dǎo)陶瓷。

盡管目前的超導(dǎo)材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用到量子、MRI核磁成像等領(lǐng)域，但必須被冷卻到超低溫中才能實現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。

也就是說，我們在實際應(yīng)用中，還是需要依靠昂貴的低溫液體來維持低溫環(huán)境。隨之而來的是，維持低溫的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了超導(dǎo)材料的成本。

因此，室溫超導(dǎo)，無需冷卻的條件下實現(xiàn)零電阻導(dǎo)電，成為物理學(xué)家們的追求的目標(biāo)，不斷刷新最高臨界溫度的極限。

在此次的最新研究中，Ranga Dias和他的團隊在實驗中研發(fā)了一種由氫（99%）、氮（1%）和純镥制成的材料LNH。

科學(xué)家將這一材料放置在392k的環(huán)境中反應(yīng)3天。由氫、氮和镥組成的三元化合物最初是一種有光澤的藍色。

這一化合物又被壓縮在鉆石砧槽中，在壓力達到3kbar時，發(fā)生了一個驚人的變化「超導(dǎo)開始從藍色變?yōu)榉奂t色」。

最后，在約30kbar壓力下又變成了亮紅色，電阻降至零。

Ranga Dias為這一震驚發(fā)現(xiàn)的材料還起了一個代號「reddmatter」。這一名稱是受到了《星際迷航》中Spock創(chuàng)造的一種材料名字的啟發(fā)。

實驗發(fā)現(xiàn)，這種材料在約21攝氏度的溫度，以及1GPa的壓力下失去了任何對電流的阻力，進入了超導(dǎo)狀態(tài)。

1GPa大約是大氣壓的10000倍（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓約為101.325kPa），但是相比于室溫超導(dǎo)體所需的數(shù)百萬個大氣壓，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。

那么如何證明這種三元化合物達到了超導(dǎo)的條件？

論文中提到，評判超導(dǎo)材料的一個關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，邁斯納效應(yīng)（Meissner effect），即完全抗磁性。

能夠?qū)崿F(xiàn)完全抗磁，是因為超導(dǎo)體表面能夠產(chǎn)生一個無損耗的抗磁超導(dǎo)電流。這一電流產(chǎn)生的磁場，抵消了超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場。

在量子設(shè)計物理性能測量系統(tǒng)(PPMS)上，利用振動樣品磁強計(VSM)方法測量了不同溫度下磁矩和 M-H 曲線的溫度依賴性。

圖3a顯示了在零場冷卻(ZFC)和場冷卻(FC)條件下，溫度對直流磁化率的影響。(χ = M/H，其中M是磁化強度，H是磁場)

然后通過測量磁場中冷卻的邁斯納效應(yīng)，證實了超導(dǎo)相的存在。在大約8kbar的277K處觀察到明確的邁斯納效應(yīng)的開始。M-H的曲線數(shù)據(jù)采用帶VSM選項的PPMS記錄。

磁化率

另一個標(biāo)準(zhǔn)就是零電阻效應(yīng)。

是指在室溫時是導(dǎo)體或半導(dǎo)體，甚至是絕緣體，可是當(dāng)溫度下降到某一特定值Tc時，它的直流電阻突然下降為零的這一現(xiàn)象。

實驗中，在高壓下氫-氮-镥化合物的溫度依賴性電阻，表明在10±0.1 kbar時超導(dǎo)轉(zhuǎn)變高達294K，是所有實驗中測得的最高轉(zhuǎn)變溫度。

Nature稱，如果氫-氮-镥三元化合物確實是實現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，那么它在實現(xiàn)如此高的轉(zhuǎn)變溫度中的作用還有待確定。

需要進一步的研究來證實Ranga Dias及其團隊研究的材料是一種高溫超導(dǎo)體，然后才能了解這種狀態(tài)是由振動引起的庫珀對（vibration-induced Cooper pairs ）驅(qū)動的，還是由一種尚未發(fā)現(xiàn)的非常規(guī)機制驅(qū)動的。

預(yù)測新材料的機器學(xué)習(xí)算法

值得注意的是，這次實驗在預(yù)測新型超導(dǎo)材料時，還用到了機器學(xué)習(xí)算法。

利用實驗室中積累的超導(dǎo)實驗數(shù)據(jù)，團隊訓(xùn)練了一種算法，預(yù)測其他可能的超導(dǎo)材料。

這些材料實際上是從數(shù)以千計的稀土金屬、氮、氫和碳的可能組合中，混合和匹配而成的。

「在日常生活中，不同的金屬被用于不同的應(yīng)用，因此我們也需要不同種類的超導(dǎo)材料，」Dias 說?！妇拖裎覀?yōu)椴煌膽?yīng)用使用不同的金屬一樣，我們需要更多的環(huán)境超導(dǎo)體，來滿足不同的應(yīng)用?！?/span>

據(jù)稱，算法由合著者Keith Lawlor開發(fā)，使用的是羅徹斯特大學(xué)綜合研究計算中心提供的超算資源。

具體來說，大概步驟是物理學(xué)家用比較容易算出來的Eliashberg譜函數(shù)來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練好后，再用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成更多比較難算的三元氫化物的Eliashberg譜函數(shù)。然后就能計算出各種三元氫化物的Tc，然后只需試幾種Tc最高的三元氫化物即可。

有網(wǎng)友總結(jié)道：「現(xiàn)在我們知道了，今天的這個刷屏大新聞，幕后的英雄還是ML/AI?！?/span>

學(xué)界表示懷疑，作者不想公開

而即使這次實驗，也并不嚴(yán)謹(jǐn)。據(jù)稱，會議現(xiàn)場就有大佬提出質(zhì)疑，當(dāng)場和Dias對轟。

有眼尖的網(wǎng)友指出，PPT中摳背景的做法（圖左）和DC磁化率數(shù)據(jù)（圖右）都疑似有問題。

來自B站網(wǎng)友「sddtc888」

同樣，Nature和Science也在新聞稿中表達了質(zhì)疑。

文章地址：https://www.nature.com/articles/d41586-023-00599-9

文章地址：https://www.science.org/content/article/revolutionary-blue-crystal-resurrects-hope-room-temperature-superconductivity

佛羅里達大學(xué)物理學(xué)家James Hamlin表示：「我認(rèn)為他們必須把自己的工作真正地公開出來，大家才可能會相信它?！?/span>

加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)家Jorge Hirsch更是直言：「我對此表示強烈的懷疑，因為我不相信這些作者?！?/span>

然而，學(xué)界的這個愿望可要落空了——

Dias不僅成立了一家初創(chuàng)公司Unearthly Materials，而且還申請了關(guān)于氫化镥的專利。

憑借這波操作，他不僅從包括Spotify和OpenAI在內(nèi)的投資者那里籌集了超過2000萬美元的資金，而且還不用擔(dān)心別人找會上門來要「樣品」。

對此，Dias表示：「我們對如何制作樣品有明確、詳細(xì)的說明?？紤]到工藝的專有性和存在的知識產(chǎn)權(quán)，我們并不打算分享這種材料，當(dāng)然也包括其中的方法和過程?！?/span>

對人類的劃時代意義

一個多世紀(jì)以來，科學(xué)家們一直在追求凝聚態(tài)物理學(xué)的突破。

而超導(dǎo)材料憑借著兩個關(guān)鍵特性「零電阻現(xiàn)象」和「邁斯納效應(yīng)」（完全抗磁性），對科技的進步有著極?的促進作?，比如：

• 可控核聚變?

托卡馬克裝置，是一種利用磁約束來實現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器。其中央是一個環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。

而在產(chǎn)生強磁場的線圈上應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)，則可以使磁約束位形能連續(xù)穩(wěn)態(tài)運行，是公認(rèn)的探索和解決未來聚變反應(yīng)堆工程及物理問題的最有效的途徑。

• 電力輸送

電網(wǎng)在傳輸電力時，不會像現(xiàn)在那樣因電線中的電阻而損失高達2億兆瓦時（MWh）的能量。

據(jù)統(tǒng)計，用銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線路上，光是在中國，每年的電力損失即達1000多億度。若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個大型發(fā)電廠。

• 交通運輸

磁懸浮高速列車。

不過這種磁懸浮技術(shù)可以不光用于交通領(lǐng)域，還可以用于建筑領(lǐng)域。也許將來人類生活在空中就不再是夢想了。

• 醫(yī)學(xué)成像

更加廉價的醫(yī)療成像和掃描技術(shù)，如核磁共振和心磁圖。

MRI不再需要使用大量的循環(huán)水冷卻去維持其運行，故運行費用會變得更低，磁場強度卻更好。

• 電子設(shè)備

用于數(shù)字邏輯和存儲設(shè)備技術(shù)的更快、更高效的電子設(shè)備。

想象一下，你的電腦沒有電阻，不再需要散熱，電腦可以更輕薄。而且使用超導(dǎo)晶體管的集成電路，電腦的速度直接可以有幾十幾百倍的提升。

用電的效率會更高，家里的用電量直線降低，燈泡卻更亮了，電動車跑的更快了，電器的使用變得更加方便，更多的精細(xì)電元件可以使用到我們的生活中。

來源：phys.org

• 量子計算

2013年，兩位著名的量子計算專家，耶魯大學(xué)教授Devoret和Schoelkopf寫了一篇展望，給出了通用量子計算發(fā)展的一個路線圖，而如今的超導(dǎo)量子計算已經(jīng)處在第三到第四階段發(fā)展的水平。

MIT的研究組顯示超導(dǎo)量子比特退相干時間的「摩爾定律」，從最早第一個量子比特不到3納秒，提高到了現(xiàn)在300微秒的水平。不到二十年的時間，提高了五個數(shù)量級，可見這個領(lǐng)域的發(fā)展速度之快。

而且?guī)讉€著名的科技公司，包括Google、IBM、Intel等，都參加到了量子計算研發(fā)的行列中來，而他們都選擇的是超導(dǎo)的方案。

如果室溫超導(dǎo)可行的話，量子計算機上的應(yīng)用，包括量子模擬、優(yōu)化、采樣、量子人工智能等等想必就會在不久的將來，開始改變我們的生產(chǎn)和生活方式。

黑歷史重重，前一個研究剛被撤稿

這次事件一出來，質(zhì)疑的聲浪就很大，這也是因為圈內(nèi)人都知道，Dias可是「老」學(xué)術(shù)明星了，前科重重。

在14年，他研究出來的金屬氫被吹得天花亂墜，但是當(dāng)人們想要查驗實驗成果時，Dias卻聲稱用于保存金屬氫的金剛石碎了，因而死無對證。

而在室溫超導(dǎo)領(lǐng)域，Dias兩年前就搞出過一個大新聞。

2020年10月14日，Dias團隊就在Nature上發(fā)稿并登上封面，聲稱一種碳、硫和氫組合成的新材料能夠?qū)崿F(xiàn)室溫超導(dǎo)，一時引起全球轟動。

然而在論文發(fā)表后，爭議不斷。即使是Dias的實驗室合作伙伴，都未能復(fù)現(xiàn)他的實驗結(jié)果（做了6次均失?。?。

種種爭議主要圍繞文章中磁化率的測量數(shù)據(jù)——噪聲處理后的曲線太平滑、太完美了，而Dias團隊報告說，在去除噪聲后測到了原始數(shù)據(jù)，但這一數(shù)據(jù)并未公布。

為了回應(yīng)質(zhì)疑，Dias等2021年在arXiv發(fā)布了原始磁化率數(shù)據(jù)，并且對其消除噪聲信號的方法給出解釋。

然而批評者仍不買賬，康奈爾大學(xué)的量子材料物理學(xué)家Brad Ramshaw認(rèn)為，「這篇文章暴露出的新問題比它試圖解決的還要多，不管是原始數(shù)據(jù)，還是得到數(shù)據(jù)的過程，都非常不透明?！?/span>

加州大學(xué)圣地亞哥分校的理論物理學(xué)家Jorge Hirsch更是言辭激烈地指責(zé)Dias造假，不僅在arXiv發(fā)表抨擊言論，還直接向羅徹斯特大學(xué)投訴。

作為被引用3.5萬+，H-index 67的大牛，Hirsch的質(zhì)疑也是有理有據(jù)的。他看到Dias論文中某些區(qū)域的數(shù)據(jù)非常不連續(xù)，而且曲線斜率和變化方向相反，這種有規(guī)律的誤差并不正常。

于是Hirsch對數(shù)據(jù)進行差分，相當(dāng)于去除「雜質(zhì)」，卻得到了一條平滑、可導(dǎo)的曲線，這意味著T=170K是并不存在超導(dǎo)特征。

他還指出Dias論文中的數(shù)據(jù)與之前研究存在相似性，而當(dāng)年那些數(shù)據(jù)的作者已經(jīng)承認(rèn)了有問題。

Dias回應(yīng)稱Hirsch并非高壓物理學(xué)家，他的批評帶著強烈的偏見。

事實上，Hirsch在量子多體研究方面有很大的貢獻，他完善了費米子行列式的蒙特卡洛算法，且這幾年一在研究各種高壓超導(dǎo)實驗和BCS理論。

Hirsch直言BCS超導(dǎo)理論存在「漏洞」，大量學(xué)者在該領(lǐng)域灌水

Hirsch隨后發(fā)表的幾篇批評Dias的論文被刪除，arXiv甚至將其禁言6個月。這是否意味著Dias的勝利呢？

Hirsch的質(zhì)疑文章被Physica C刪除

并非如此！

2022年，質(zhì)疑聲隨著論文的撤稿達到高潮。在9月26日，Nature編輯不顧作者集體反對，強制撤下封面文章。

撤稿當(dāng)天，Science新聞欄目對該事件進行了報道，稱該研究「有嚴(yán)重問題」。

撤稿通知給出的理由回應(yīng)了之前的質(zhì)疑，表示Dias團隊「使用了一種非標(biāo)準(zhǔn)、自定義的程序」，從兩個圖顯示的實驗數(shù)據(jù)中去除噪聲，而這一方法并沒有給出清楚、可靠的解釋。

批評者樂得看到撤稿的結(jié)果，Hirsch甚至覺得這還不夠，學(xué)術(shù)造假這個真正的問題還沒有被處理。

Dias團隊顯然并不服氣，團隊成員內(nèi)華達大學(xué)達拉斯分校的物理學(xué)家Ashkan Salamat表示對Nature的這一決策感到困惑和失望，因為研究中電阻下降的結(jié)果并不處在爭論的漩渦中心，而這恰恰是任何超導(dǎo)領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)中最重要的部分。

上個月他們還在arXiv發(fā)表新文章，重新測量了受到質(zhì)疑的各項數(shù)據(jù)。但這次超導(dǎo)現(xiàn)象出現(xiàn)的溫壓條件為133Gpa、260K，與之前研究中所稱的267Gpa、288K并不相同。

有意思的是，本次APS March Meeting 將Jorge Hirsch與Ranga P. Dias安排在同一個會場，前后腳做報告，Hirsch纏著繃帶的形象，頗有既分高下，也決生死的氣勢。

不過，如果實驗結(jié)果為真，那就妥妥是今年最大的全球科學(xué)突破，Dias也可以提前預(yù)定諾獎了。

而人類的能源模式，也將永遠(yuǎn)改變。

1900年，英國物理學(xué)家開爾文男爵說，物理的大廈已經(jīng)落成，所剩的只是一些修飾性工作。第一朵烏云是光的波動理論，第二朵烏云是能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論。

還有一個說法是，誰能搞出室溫超導(dǎo)，誰就是繼牛頓和愛因斯坦之后的物理學(xué)第三人。

Dias會摘下這個桂冠、解決物理學(xué)的第三朵烏云嗎？讓我們靜觀后續(xù)。