陈根：冲击物理学百年“圣杯”，室温超导真的要来了吗？热博聚热

　　文陈根
　　3月7日，在美国内华达州拉斯维加斯举办的物理学会年会上，一颗惊雷平地炸响高温超导疑似实现颠覆性突破。会议上，美国罗切斯特大学物理学家RangaDias宣布，他和他的团队已经实现了高温超导的百年梦想，RangaDias发现了一种超导体，能在室温和接近常压的环境下工作。
　　说是惊雷炸响是因为凝聚态物理学作为当今物理最大、最重要的分支学科之一，凝聚态物理的“圣杯”之一就是室温超导。假如这次RangaDias真的实现了室温超导，那全球的能耗问题，将从源头上解决人类将利用电能获得巨大的力量。这也难怪为什么RangaDias的演讲会座无虚席，甚至还需要安保人员将好奇的旁观者赶走的原因。冲击物理学百年“圣杯”，RangaDias会成功吗？
　　百年“圣杯”之常温超导
　　顾名思义，超导就是超级导电的意思。
　　根据导电性能，物质可以被分为导体、半导体和绝缘体。在导体中，存在大量可以自由移动的带电粒子，它们可以在外电场的作用下自由移动，形成电流，不过，经过导体的电阻会阻碍它们的运动。
　　而超导体则在一定温度之下电阻为零如果电路由超导体组成，电荷就能在电路中自由自在地奔跑，电流会一直流动下去。
　　超导现象最早由荷兰物理学家海克卡末林昂内斯（HeikeKamerlinghOnnes）发现。1911年，卡末林昂内斯在研究低温下金属电阻变化规律时意外发现：将水银冷却到零下270摄氏度左右时，水银的电阻突然消失了。卡末林昂内斯将这种低温下导体电阻突变为零的现象称为“超导”，并将使导体进入超导态的温度称为超导临界温度。海克卡末林昂内斯也因液氦的制备和超导现象的发现，获得了1913年的诺贝尔物理学奖。
　　除了电阻为0以外，之后，科学家又发现超导态下材料的另一个特殊的性质完全抗磁性，即超导材料内部没有磁场。1933年，德国物理学家瓦尔特迈斯纳（WaltherMeiner）和罗伯特奥克森菲尔德（RobertOchsenfeld）发现，材料转变成超导体后，就好像武僧穿上了金钟罩，体内的磁场会全部排斥在外。这一现象因此也被称为迈斯纳效应。
　　超导材料的发现，引起了人们的极大兴趣。仅从最简单应用设想来看，如果能够用超导材料取代导体材料制作电线，就能使远距电能传输的损耗降低到可忽略不计。要知道，当前，应用电子技术都基于有电阻的电路，大量能源因普通导体存在电阻而转变为热量白白损耗。而实现室温超导则有望使电能极少转变为热量，从而提升导体和装置的效率，极大地推动现有电子技术的发展，让更多精细电子元件可以应用到人类生活中。
　　中科院物理研究所罗会仟在一篇文章中提到，超导输电可以节约目前高压交流输电技术中15左右的损耗，超导变压器、发电机、电动机、限流器以及储能系统可以实现高效的电网和电机。利用超导线圈制作的超导磁体具有体积轻小、磁场高、均匀性好、耗能低等优势，是高分辨核磁共振成像、基础科学研究、人工可控核聚变等关键技术的核心。
　　简单来说，超导体的现实应用，有可能为科学技术带来巨大而深刻的变革。然而，人们只有在极冷的温度或超高压力下才能观察到超导性这些条件使实验材料无法用于长期、常规的应用，比如，无损电力传输、悬浮高速列车和平价医疗影像设备。
　　因此，百余年来，实现室温超导就成为了科学家们的一个终极梦想。通过大量的实验尝试和验证，各国科学家在液氮温度的基础上艰难提升着超导材料的超导临界温度。近年来，中国、德国、美国科学家在这方面已取得一系列技术突破，已有材料在极高压强环境下表现出了室温超导特性，但严苛的环境条件依然限制着超导材料的实际应用。
　　物理学会炸响惊雷
　　直到今天，人们还在孜孜不倦地追求室温超导材料。目前，室温超导材料也尚未发现。而近日，在美国拉斯维加斯举办的物理学会上，美国罗切斯特大学物理学家RangaDias却发表了主题为“极端条件下的物质：静态超导实验”的演讲，并宣称他和团队创造出一种能在室温和近常压下工作的超导体。
　　这是一场座无虚席的演讲，在开场前的15分钟就已经人满为患，安保人员只好出面拦阻更多想进去的观众。据RangaDias介绍，这是一种由氢、氮和镥组成的新材料，它能在室温和不太高的压力环境条件下表现出超导性。RangaDias在演讲中表示：“我们在碳质硫氢化物中发现的室温超导性表明，三元或更大的体系可能是实现更高转变温度和在室温条件下实现超导性的关键。”“对于实际应用来说，这意味着一种新型材料体系的诞生。”
　　就在RangaDias宣布此次成果之后，当地时间3月8日，相关论文以《氮掺杂氢化镥中近环境超导性的证据》为题发表在Nature上。
　　RangaDias在论文中表示，他制备了一种由氢、氮和稀土金属镥反应所得的固体材料，能以完美的效率导电。在21和大约1Gpa（1GPa10Kbar）的压力下，这种新合成的化合物能以零电阻的形式传导电流。事实上，1GPa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。当然，即便如此，相比此前使用类似材料所进行的实验，RangaDias实验里的所需压力远低于他们，也远低于目前主流室温超导体所需的数百万个大气压。
　　研究中，RangaDias将薄镥箔装入钻石砧中，并注入氢气和氮气的混合物。通过将压力提高到2GPa大气压的近20000倍，并在200下将混合物加热3天，腔体中形成了亮蓝色的晶体，即使在压力下降之后，新合成的物质仍能保持晶态。当把压力调低至0。3GPa时，随着电阻降为零，蓝色晶体变成了粉红色。在1GPa的压力下，该物质可以达到294K的峰值超导温度。
　　磁测量结果表明，这些样品可以排斥外部施加的磁场，而这一现象正是超导体的标志即迈斯纳效应。
　　对于这一成果，佛罗里达大学物理学家JamesHamlin评价说：“如果这是真的，那么他们的研究完全是革命性的。室温超导是人们一个世纪以来的梦想。现有的超导体需要昂贵而笨重的冷却系统来无摩擦地导电。室温超导体的诞生将使得电网、计算机芯片以及磁悬浮列车、核聚变发电所需的超强导体更加高效。”
　　可以说，假如这次RangaDias真的实现了室温超导，那么，全球的能耗问题，将从源头上解决人类将利用电能获得巨大的力量。如果再从根上掌握了可控核聚变，人类甚至可以进行远距离的太空旅行。
　　不过，上海交大电气工程系赵跃教授表示：“富氢高温超导体（氢金属化合物）的压力一般都在150GPa左右，人们在试图降低氢化物高温超导所需压力，所以降到1GPa已经算非常低了。但是，1GPa的压力依然无法用到实际应用场景里，甚至比低温实现的难度还大。”因此，该类新超导材料要想走出实验室依然有很长的路要走。”
　　冲击百年“圣杯”
　　这场关于室温超导的会议报告，在全球也引起了轰动。毕竟，任何一个重大的科学突破都会受到全世界的高度关注，对于经历过撤稿风波的RangaDias团队尤其如此。
　　实际上，2020年10月，RangaDias团队已经在Nature发表论文称他们首次实现了室温超导。这篇已被撤稿的论文题目为《碳质硫氢化物的室温超导性》，其报道了碳质硫氢化物体系中的超导性，在26710kMPa下实现的最大超导转变温度为15。迪亚斯在这篇被撤稿的论文中提到，在钻石砧的140至275Gpa的压力范围内观察到了超导状态，其在220Gpa以上的转变温度是急剧上升的。并且，在三元体系中引入化学调谐可以在较低压力下保持室温超导性能。
　　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”，这项研究在当时同样轰动了学界，还登上了Nature封面。然而，就在这篇论文发表后的两年间，这项研究却引起了持续的争议。其他实验室反复尝试，都未能复现结果。
　　2021年8月25日，一个核心争议点被揪了出来：论文的磁化率数据有问题。简单来说，就是RangaDias团队在处理原始数据时，用特殊方法对背景噪声进行了去除，但在论文中却没有针对这一数据处理方法，给出合理的解释。提出h指数的理论物理学家JorgeHirsch在验证数据之后，甚至直接质疑RangaDias团队用多项式曲线拟合数据“是一种捏造”，是“一场科学骗局”。
　　最后，经过一番调查之后，2022年Nature还是撤回了这篇论文。需要说明的是，这次撤稿显得有些不同寻常，因为Nature在论文九位作者联合反对的情况下，坚决执行了撤稿行动。面对这一结果，一直持质疑态度的JorgeHirsch表示：“撤稿还远远不够，这掩盖了科学不端行为的证据。”
　　基于上一次的撤稿争议，此次，RangaDias向Nature提交了一份新手稿，他在实验中重复了碳质硫氢化物里的高温超导性，他坚称这将消除过去的指控。迪亚斯还表示，他与Nature分享了他所有的原始数据。
　　实际上，作为物理学界的“圣杯”之一，关于室温超导的研究突破和成果争议就从来没有停止。全球最大的论文预印本网站arXiv。org经常报道出各种“室温超导体”，比如2016年IvanZaharievKostadinov就声称他找到了临界温度为373K的超导体，他没有公布这个超导体的具体组分，甚至为了保密把他的研究单位写成了“私人研究所”。
　　又比如，一队科研人员声称在巴西某个石墨矿里找到了室温超导体，并且做了相关研究并正式发表了论文。还有，在2018年8月，两位来自印度的科研人员号称在金纳米阵列里的纳米银粉存在236K甚至是室温的超导电性，并且有相关的实验数据。
　　然而，这些声称的“室温超导体”，都是很难经得住推敲和考证的，它们很难被重复实验来验证。有的根本没有公布成分结构或者制备方法，就无法重复实验；有的实验现象极有可能是假象；有的实验数据极有可能不可靠。其中，关于373K超导的材料，所谓的“室温超导磁悬浮”实验更像是几块黑乎乎的材料堆叠在磁铁上而已。而关于236K超导那篇论文中的数据就被麻省理工学院的科研人员质疑，因为实验数据噪声模式“都是一样的”，这在真实实验中是不可能出现的事情。
　　这确实是令人沮丧的，因为绝大部分室温超导体都看起来这么不靠谱，而这次，RangaDias无疑再一次站上了挑战百年圣杯的擂台。事实是，如果RangaDias这一次对于凝聚态物理圣杯的冲击能够成功，那么，RangaDias的成就将超越火爆了三个多月的ChatGPT，甚至问鼎诺奖而人类的能源模式，也将永远改变。