来源:钛媒体
作者:林志佳
继核聚变、ChatGPT之后,“室温超导”领域迎来新的技术突破。
据美国物理学会(APS)网站显示,美国罗切斯特大学助理教授、哈佛大学物理系研究员、凝聚态物理学家迪亚兹(Ranga Dias)在当地时间3月7日举行的“静态超导实验”报告会议上公布了一份最新研究成果:
迪亚兹团队通过实验,创造出了一种在室温和相对较低压力的可在实际条件(Practical conditions)下工作的“超导体”。该超导体由氢、氮和镥(Lu-N-H)三种金属元素材料混合、放置在“金刚石压砧”装置中加压,在约21℃温度下、以及1万个标准大气压的压力下进入超导状态,失去了对电流的阻力,从而实现这种新型超导体在室温环境中应用的可能。(注:人类已经可以在5-6万个大气压下合成钻石)
同时,3月9日凌晨,该研究成果发表在英国《自然》杂志上,题目为《N 掺杂氢化镥中近环境超导性的证据》。时间戳显示,这篇论文在2022年8月投出,今年1月18日被Nature接收。
这意味着,未来在常规条件下,这种“超导体”有望应用于飞行器、量子计算机、磁悬浮交通、超导医疗、核聚变反应堆“磁封闭体”、超导重力模拟等诸多场景中。人类向着长久以来希望创造出具有最优效率电力系统的目标又迈近了一步。
可以预见,一旦常温超导体技术成熟应用,一个高效率机器、超灵敏仪器和革命性电子产品的新技术时代即将到来,届时或将引发一场新的能源革命。
该消息传开,全球都在热议,相关问题已直接冲上知乎热搜第一,Reddit话题热度也在攀升。
“这是可用于实际应用的新型材料的开端,”迪亚兹表示,这将是一项重塑21世纪的革命性技术。有了这种技术,人类就将进入一个超导社会,你将不再需要电池之类的东西,这些材料“绝对可以改变我们所知道的世界”。
不过,由于该团队在2020年10月发表的一篇类似论文受到质疑,最终导致英国《自然》杂志撤稿,这表明迪亚兹的这一新研究成果仍可能将面临学术界人士的质疑。美国双周刊科学杂志ScienceNews认为,这项研究可能会面受到非常严格的审查。
随后,迪亚兹(Ranga Dias)3月9日对媒体表示,已多次重复实验,有信心过审,对其团队此次的全新发现充满信心,但他同时还指出,“要将我们对室温超导新材料的发现应用到任何规模的现实世界中,还需要几年的艰苦工作。”
一位国内的大学物理教授王利(化名)告诉钛媒体App,这个实验结果对于凝聚态物理的意义远大于超导实用技术,它发现了个新的途径去寻找高温超导材料。另一位行业人士称,“高压常温超导很难商业化”。
从资本市场看,截至发稿前,“超导”板块个股集体高开。永鼎股份、百利电气、法尔胜一字涨停,宝胜股份、西部超导、西部材料涨超5%,东方坦业、联创光电、汉缆股份等跟涨。
那么,美国科学家团队重提“室温超导”,这回能获科学界认可吗?
百年超导研究之路
一个多世纪以来,室温超导一直是材料科学领域的研究热点。
从字面意思上,超导就是超级导电之意。
根据导电性能,可以将物质分为导体、半导体和绝缘体。其中在导体中,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。
超导体是在一定温度(定义为超导临界温度)之下电阻为零。尽管严格意义上的零电阻无法测量出来,但多个实验表明,超导材料的电阻率要比导电性最好的金属如银、铜、金、铝等要整整低了10个数量级。
一块磁铁悬浮在一个用液氮冷却的超导体上这意味着,在闭合超导线圈中感应出1A的电流,需要近一千亿年才能衰减掉,比我们宇宙的年龄138亿年还要长。因此,我们有充分的理由认为超导态下电阻为零。
1911年,荷兰物理学家海克·卡曼林·昂尼斯(Heike Kamerlingh Onnes)发现,把汞冷却到-269摄氏度时电阻会突然消失,电子会在其中无阻碍地运动。后来,他又注意到许多金属和合金都具有与汞相类似的特性,他将这种特殊的导电性能称之为“超导态”——这是人类首次发现超导现象。
昂尼斯因研究物质在低温下的性质,并制出液态氦而荣获1913年诺贝尔物理学奖。
此后的一个多世纪中,新的超导材料相继被发现,一波接一波冲击更高的超导临界转变温度,每次发现都推动着科学家投身相关的研究热潮:
1957年,第一个真正能描述超导现象的BCS理论诞生,由美国科学家John Bardeen、Leon Cooper和John Schrieffer基于“波粒二象性”建立。他们认为,金属外层自由电子在有电压时,会流经晶格点阵形成电流,但通常情况下,这种晶格点阵有缺陷,会因热振动使电流产生阻碍;
1986年,瑞士苏黎世IBM公司的柏诺兹和缪勒在铜氧化物体系发现了35K的超导;
2008年2月,日本科学家发现铁砷化物体系中存在26K的超导电性;
在中国科学家的努力下,这类材料的超导临界温度很快就突破了40K,在块体材料中实现了55K的高温超导电性。而高于40K以上的超导体又被称之为高温超导体,铜氧化物和铁基超导体,是目前发现了仅有的两大高温超导家族。
2016年,英国爱丁堡大学E. Gregoryanz等人在325 GPa获得了氢的一种 “新固态”,认为可能是金属氢,论文发表在《自然》杂志。
同年6月,德国科学家在arXiv贴出了关于石墨晶体中存在350K超导迹象的论文,样品来自巴西某矿产的石墨晶体。但理论上,石墨烯中是否存在室温超导电性,一直以来是争议的一个焦点之一,而论文的“超导证据”只是电阻在350K存在一个轻微的下降,并会响应磁场的变化,专家认为这可能和超导关系不大。
2017年,美国哈佛大学研究团队宣布在495 GPa下实现了金属氢,他们观测氢在压力不断增加过程中,从透明氢分子固体,到黑色不透明的半导体氢,最终到具有金属反光的金属氢,论文发表在《科学》杂志。
严格来说,判断一个材料是否属于超导体,必须有两个独立的电磁特性判据:1. 是否具有绝对零电阻;2. 是否具有完全抗磁性。后者由德国科学家沃尔特·迈斯纳(Walther Meissner)等发现,又称为“迈斯纳效应”,即磁场下超导体具有“完全抗磁性”,其内部磁感应强度B为零。
超导体对人们生产生活的意义重大。实际上,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。
利用超导体材料特性应用的磁悬浮列车磁悬浮列车就利用了超导体特性。超导线圈可以承载很大的电流,成为强大的超导磁体。列车和轨道上分别装备有超导磁体。当存在外磁场时,由于完全抗磁性,超导体内部会产生一个相反的磁场,使超导体内部的总磁感应强度为零。由此产生的斥力可以使沉重的列车悬浮在空中。通过改变轨道上磁场的取向,可以使列车保持向前运动。
去年11月27日,“室温超导”入选为2022年度“十大基础研究关键词”。
“常温超导”研究者争议缠身
在迪亚兹研究之前,超导材料的最高温度是2019年在德国科学家在马克斯·普朗克化学研究所一实验室,以及与美国伊利诺伊大学的拉塞尔·赫姆利研究小组合作实现的。研究人员用镧(一种金属稀土元素La)超氢化物在170万个大气压的高压下实现-23摄氏度的超导转变温度。
美国康奈尔大学的理论物理学家尼尔·阿什克罗夫特(Neil Ashcroft)早在1968年就在理论上预言,纯氢可以在室温下超导,因为金属氢会有较高的超导临界温度,只不过需要加上500万倍大气压的压强。他在2004年提出,富含氢的化合物,如甲烷、甲硅烷、氨气等,成为高临界温度的超导体所需压强可以比金属氢低很多。
可惜,实验令人失望,与阿什克罗夫特的预言有不小的差距。
作为宇宙中最丰富的元素,氢也是一种很有前景的元素。要获得高温超导体,需要更强的化学键和更轻的元素。氢是最轻的材料,而氢键是最强的化学键之一。从理论上来讲,固体金属氢具有很高的德拜温度(固体的一个重要物理量)和很强的电子-声子耦合,这是室温超导所必需的因素。
然而,仅仅是将纯氢转化为金属状态就需要非常高的压力。2017年,美国哈佛大学教授艾萨克·西尔维拉和当时在其实验室做博士后研究的迪亚兹合作,在实验室中首次实现了这一目标。
美国罗切斯特大学助理教授、哈佛大学物理系研究员、凝聚态物理学家Ranga Dias,一位来自于斯里兰不过之后,迪亚兹的研究之路就没有那么平坦了。
2020年10月14日,英国《自然》(Nature)杂志发表的一篇首次实现 “室温超导” 的封面论文引发轰动。迪亚兹团队创造出一种三元氢化物(C-S-H),在267万个超高大气压下,实现了转变温度为15摄氏度的超导电性,即观察到常温超导现象。投稿仅2个月就登上了《自然》杂志封面,被誉为是诺奖级的工作。
迪亚兹声称,这是人类第一次在室温下观察到超导现象。他们的发现将为许多潜在的应用提供可能。但他们虽然解决了温度的障碍,却又出现了高压难题——267万个大气压,十分接近于300万个大气压的地球地心处的压力。这么高的压力,全世界也只有很少的实验室可以实现——这为后来的“撤稿”事件埋下伏笔。
当时,美国学术界普遍看好这一试验,美国加利福尼亚大学圣迭戈分校物理教授布赖恩·梅普尔(Merrill Maple)评价道:“这项研究启发了人们思考常规超导体和高温超导体的关系、超导电子配对的机制、未来寻找新材料的方向、应用超导技术的新领域等,描绘了人类更加美好的未来。”
不过,也有研究者认为,迪亚斯的实验条件十分极端,这意味着距离实际应用还非常遥远。而迪亚斯等人创建了一家名为“非凡材料”的公司,以将室温超导材料尽快商业化。
但迪亚兹的这项研究成果无法复现,其实是业内最大的槽点。迪亚兹后来称,其在实验过程不小心打碎了金刚石,后面也没再重复实验。不过,近500GPa的高压技术,国际上仍有几个研究组是可以做到的,迪亚兹他们却没有重复出来金属氢的实验结果。
更令人难以置信的是,这篇论文的关键证据之一,即金刚石对顶砧里的金属氢照片,是用 iPhone 摄像头拍的,显得极其不专业。后来被反复追问下,迪亚兹承认 “金属氢” 的实验成功率并不高,可能也就那么一两次获得了“有效”的实验数据。科学家们有理由怀疑,最终得到的 “金属反射” 信号可能来自高压腔体内的金属垫片,而不是金属氢本身,后来作者也发文更正了光电导的数据。因此,金属氢是否真的能实现室温超导,成为一个未解谜团。
在科学家集体质疑声中,2022年9月26日,在所有论文作者都不同意撤稿的情况下,英国《自然》杂志编辑部撤掉了这篇论文。
《自然》杂志认为,在一些关键的数据处理步骤中,这篇论文使用了一种非标准化的、用户自定义的程序。具体而言,这个程序指的是论文中用来处理原始数据、以生成磁化率图的背景减法(用于处理嘈杂背景信号的方法),处理后的数据减法并没有在论文中解释,因此数据有效性也受到质疑,其认为这会削弱外界对磁化率数据的信心。
Dias所在团队的论文于2022年9月26日被《自然》撤稿同一天,顶级期刊《科学》深度报道此次撤稿事件并采访了该事件的几位当事人。报道题目直接引用了科学家的一句原话:“Something is seriously wrong”(事情很严重)。
仅仅过了不到半年,如今,迪亚兹带着新的/另外三元氢化物镥-氮-氢(N-Lu-H)卷土重来(之前是氢-硫-碳)。在 1GPa 不那么极端的高压力下,实现了更高的超导转变温度21摄氏度——压强更低了,超导临界转变温度(Tc)更高了。
在近15分钟演讲中,迪亚兹反复对室温超导进行详细讲述。不过,3月9日《自然》杂志刊登的论文中也坦言,尽管这一研究结果超乎想象,但还需要进一步的实验和模拟来确定氢和氮的确切化学计量及其各自的原子位置,从而了解材料的超导状态。
1GPa下,材料能在接近21℃的温度条件下实现超导状态(来源论文)在拉斯维加斯最新成果的发布现场,小小报告厅里挤满了各路物理大牛。包括高温超导先驱朱经武教授,以及此前一直在质疑室温超导的日内瓦大学凝聚态物理学家Dirk van der Marel。而在报告厅外,更是挤满了大批未能入场的物理学研究者,以至于保安需要不断驱散人群,防止消防隐患。
但美国双周刊科学杂志ScienceNews认为,这项研究可能将会面受到非常严格的同行审查,尤其是关于复现效果的。
人们对“室温超导”抱有希望,但疑虑依然存在
继去年12月美国加州劳伦斯利佛摩国家实验室在可控聚变实验中实现聚变点火、获得“能量净增益”(Q>1),以及OpenAI发布的人工智能聊天模型ChatGPT之后,美国科学家这次又成功地在物理学界扔下一枚“核弹”。
(详见钛媒体App前文:《中美“激战”核聚变》、《ChatGPT杀疯了,两个月引爆千亿美金新赛道》)
目前,尽管外界对于这一实验感到震惊,但鉴于迪亚兹此前的争议,业内更多处于“观望”情绪。
中科创星创始合伙人米磊对钛媒体App表示:“我去年就认为超导之于能源领域就是半导体之于信息领域,过去60年信息革命依靠的是半导体材料的突破,未来60年的能源革命依靠的是超导材料的突破。所以我们去年开始大力布局高温超导材料方向,现在已经投了三家高温超导材料上下游公司,投资额过亿,只是没想到这个方向这么快又火了。”
罗会仟在3月8日晚的中科院物理所直播中表示,这次研究的大约1万大气压比曾经的200GPa低很多,实验很可能会实现复用。比如,以前很少有做比热测量来验证超导转变,就是因为压强过高不容易做,而这次的1GPa就使得比热测量成为可能。
研究学者季燕江则认为,尽管完全抗磁性测量(迈斯纳效应)在实验上很困难,但说迪亚兹故意造假,他认为还缺乏证据。
一位量子领域学者对钛媒体App表示,目前量子计算还是始终要超低温,常温超导还是很难实现的。另有物理学者认为,无论是常温超导,还是高温超导,温度只是衡量超导应用的指标而已,目前应用最多的依旧是铌钛合金超导体,这种常温超导短期内很难实际应用。
一位知乎答主表示,对于这类研究,最好还是等一等同行复现的结果。他认为这次结果仍然只是一家之言,而不是同行评议的结果。
中国科学院物理研究所靳常青和伊利诺伊大学香槟分校戴维·塞珀利联合在《自然》杂志刊文称,作者的发现无疑会引起争议,因为几乎是其他具有高温超导性的氰化物的两倍,并且表明与类似的超导化合物相比,论文样品中存在的氢相对较少。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。
“无论机制如何,在环境条件下超导材料的前景都是诱人的。超导材料可以制造强大的磁体,例如用于磁共振成像 (MRI)——这项技术自半个世纪前首次出现以来就对医学诊断产生了深远影响,这种材料也可以用作悬浮物体,激发磁悬浮列车的想法。但标准MRI系统目前在没有高温超导元件的情况下需要昂贵的制冷,因此,也许该研究新的氢化物化合物将使我们更接近这些技术成为现实。”靳常青和塞珀利共同表示。
那么,对于“室温超导”圣杯这次是否要大结局,更多人认为还需让“子弹”多飞一会。
编辑/jayden
來源:鈦媒體
作者:林志佳
繼核聚變、ChatGPT之後,“室溫超導”領域迎來新的技術突破。
據美國物理學會(APS)網站顯示,美國羅切斯特大學助理教授、哈佛大學物理系研究員、凝聚態物理學家迪亞茲(Ranga Dias)在當地時間3月7日舉行的“靜態超導實驗”報告會議上公佈了一份最新研究成果:
迪亞茲團隊通過實驗,創造出了一種在室溫和相對較低壓力的可在實際條件(Practical conditions)下工作的“超導體”。該超導體由氫、氮和鑥(Lu-N-H)三種金屬元素材料混合、放置在“金剛石壓砧”裝置中加壓,在約21℃溫度下、以及1萬個標準大氣壓的壓力下進入超導狀態,失去了對電流的阻力,從而實現這種新型超導體在室溫環境中應用的可能。(注:人類已經可以在5-6萬個大氣壓下合成鑽石)
同時,3月9日凌晨,該研究成果發表在英國《自然》雜誌上,題目為《N 摻雜氫化鑥中近環境超導性的證據》。時間戳顯示,這篇論文在2022年8月投出,今年1月18日被Nature接收。
這意味著,未來在常規條件下,這種“超導體”有望應用於飛行器、量子電腦、磁懸浮交通、超導醫療、核聚變反應堆“磁封閉體”、超導重力類比等諸多場景中。人類向著長久以來希望創造出具有最優效率電力系統的目標又邁近了一步。
可以預見,一旦常溫超導體技術成熟應用,一個高效率機器、超靈敏儀器和革命性電子產品的新技術時代即將到來,屆時或將引發一場新的能源革命。
該消息傳開,全球都在熱議,相關問題已直接沖上知乎熱搜第一,Reddit話題熱度也在攀升。
“這是可用於實際應用的新型材料的開端,”迪亞茲表示,這將是一項重塑21世紀的革命性技術。有了這種技術,人類就將進入一個超導社會,你將不再需要電池之類的東西,這些材料“絕對可以改變我們所知道的世界”。
不過,由於該團隊在2020年10月發表的一篇類似論文受到質疑,最終導致英國《自然》雜誌撤稿,這表明迪亞茲的這一新研究成果仍可能將面臨學術界人士的質疑。美國雙週刊科學雜誌ScienceNews認為,這項研究可能會面受到非常嚴格的審查。
隨後,迪亞茲(Ranga Dias)3月9日對媒體表示,已多次重複實驗,有信心過審,對其團隊此次的全新發現充滿信心,但他同時還指出,“要將我們對室溫超導新材料的發現應用到任何規模的現實世界中,還需要幾年的艱苦工作。”
一位國內的大學物理教授王利(化名)告訴鈦媒體App,這個實驗結果對於凝聚態物理的意義遠大於超導實用技術,它發現了個新的途徑去尋找高溫超導材料。另一位行業人士稱,“高壓常溫超導很難商業化”。
從資本市場看,截至發稿前,“超導”板塊個股集體高開。永鼎股份、百利電氣、法爾勝一字漲停,寶勝股份、西部超導、西部材料漲超5%,東方坦業、聯創光電、漢纜股份等跟漲。
那麼,美國科學家團隊重提“室溫超導”,這回能獲科學界認可嗎?
百年超導研究之路
一個多世紀以來,室溫超導一直是材料科學領域的研究熱點。
從字面意思上,超導就是超級導電之意。
根據導電性能,可以將物質分為導體、半導體和絕緣體。其中在導體中,存在大量可以自由移動的帶電粒子,它們可以在外電場的作用下自由移動,形成電流。
超導體是在一定溫度(定義為超導臨界溫度)之下電阻為零。儘管嚴格意義上的零電阻無法測量出來,但多個實驗表明,超導材料的電阻率要比導電性最好的金屬如銀、銅、金、鋁等要整整低了10個數量級。
一塊磁鐵懸浮在一個用液氮冷卻的超導體上這意味著,在閉合超導線圈中感應出1A的電流,需要近一千億年才能衰減掉,比我們宇宙的年齡138億年還要長。因此,我們有充分的理由認為超導態下電阻為零。
1911年,荷蘭物理學家海克·卡曼林·昂尼斯(Heike Kamerlingh Onnes)發現,把汞冷卻到-269攝氏度時電阻會突然消失,電子會在其中無阻礙地運動。後來,他又注意到許多金屬和合金都具有與汞相類似的特性,他將這種特殊的導電性能稱之為“超導態”——這是人類首次發現超導現象。
昂尼斯因研究物質在低溫下的性質,並製出液態氦而榮獲1913年諾貝爾物理學獎。
此後的一個多世紀中,新的超導材料相繼被髮現,一波接一波沖擊更高的超導臨界轉變溫度,每次發現都推動著科學家投身相關的研究熱潮:
1957年,第一個真正能描述超導現象的BCS理論誕生,由美國科學家John Bardeen、Leon Cooper和John Schrieffer基於“波粒二象性”建立。他們認為,金屬外層自由電子在有電壓時,會流經晶格點陣形成電流,但通常情況下,這種晶格點陣有缺陷,會因熱振動使電流產生阻礙;
1986年,瑞士秀克黎世IBM公司的柏諾茲和繆勒在銅氧化物體系發現了35K的超導;
2008年2月,日本科學家發現鐵砷化物體系中存在26K的超導電性;
在中國科學家的努力下,這類材料的超導臨界溫度很快就突破了40K,在塊體材料中實現了55K的高溫超導電性。而高於40K以上的超導體又被稱之為高溫超導體,銅氧化物和鐵基超導體,是目前發現了僅有的兩大高溫超導家族。
2016年,英國愛丁堡大學E. Gregoryanz等人在325 GPa獲得了氫的一種 “新固態”,認為可能是金屬氫,論文發表在《自然》雜誌。
同年6月,德國科學家在arXiv貼出了關於石墨晶體中存在350K超導跡象的論文,樣品來自巴西某礦產的石墨晶體。但理論上,石墨烯中是否存在室溫超導電性,一直以來是爭議的一個焦點之一,而論文的“超導證據”只是電阻在350K存在一個輕微的下降,並會回應磁場的變化,專家認為這可能和超導關係不大。
2017年,美國哈佛大學研究團隊宣佈在495 GPa下實現了金屬氫,他們觀測氫在壓力不斷增加過程中,從透明氫分子固體,到黑色不透明的半導體氫,最終到具有金屬反光的金屬氫,論文發表在《科學》雜誌。
嚴格來說,判斷一個材料是否屬於超導體,必須有兩個獨立的電磁特性判據:1.是否具有絕對零電阻;2.是否具有完全抗磁性。後者由德國科學家沃爾特·邁斯納(Walther Meissner)等發現,又稱為“邁斯納效應”,即磁場下超導體具有“完全抗磁性”,其內部磁感應強度B為零。
超導體對人們生產生活的意義重大。實際上,應用電子技術都基於有電阻的電路,大量能源因普通導體存在電阻而轉變為熱量白白損耗。而實現室溫超導有望使電能極少轉變為熱量,從而提升導體和裝置的效率,極大地推動現有電子技術的發展,讓更多精細電子元件可以應用到人類生活中。
中科院物理研究所羅會仟在一篇文章中提到,超導輸電可以節約目前高壓交流輸電技術中15%左右的損耗,超導變壓器、發電機、電動機、限流器以及儲能系統可以實現高效的電網和電機。利用超導線圈製作的超導磁體具有體積輕小、磁場高、均勻性好、耗能低等優勢,是高分辨核磁共振成像、基礎科學研究、人工可控核聚變等關鍵技術的核心。
利用超導體材料特性應用的磁懸浮列車磁懸浮列車就利用了超導體特性。超導線圈可以承載很大的電流,成為強大的超導磁體。列車和軌道上分別裝備有超導磁體。當存在外磁場時,由於完全抗磁性,超導體內部會產生一個相反的磁場,使超導體內部的總磁感應強度為零。由此產生的斥力可以使沉重的列車懸浮在空中。通過改變軌道上磁場的取向,可以使列車保持向前運動。
去年11月27日,“室溫超導”入選為2022年度“十大基礎研究關鍵字”。
“常溫超導”研究者爭議纏身
在迪亞茲研究之前,超導材料的最高溫度是2019年在德國科學家在馬克斯·普朗克化學研究所一實驗室,以及與美國伊利諾伊大學的拉塞爾·赫姆利研究小組合作實現的。研究人員用鑭(一種金屬稀土元素La)超氫化物在170萬個大氣壓的高壓下實現-23攝氏度的超導轉變溫度。
美國康奈爾大學的理論物理學家尼爾·阿什克羅夫特(Neil Ashcroft)早在1968年就在理論上預言,純氫可以在室溫下超導,因為金屬氫會有較高的超導臨界溫度,只不過需要加上500萬倍大氣壓的壓強。他在2004年提出,富含氫的化合物,如甲烷、甲硅烷、氨氣等,成為高臨界溫度的超導體所需壓強可以比金屬氫低很多。
可惜,實驗令人失望,與阿什克羅夫特的預言有不小的差距。
作為宇宙中最豐富的元素,氫也是一種很有前景的元素。要獲得高溫超導體,需要更強的化學鍵和更輕的元素。氫是最輕的材料,而氫鍵是最強的化學鍵之一。從理論上來講,固體金屬氫具有很高的德拜溫度(固體的一個重要物理量)和很強的電子-聲子耦合,這是室溫超導所必需的因素。
然而,僅僅是將純氫轉化為金屬狀態就需要非常高的壓力。2017年,美國哈佛大學教授艾薩克·西爾維拉和當時在其實驗室做博士後研究的迪亞茲合作,在實驗室中首次實現了這一目標。
美國羅切斯特大學助理教授、哈佛大學物理系研究員、凝聚態物理學家Ranga Dias,一位來自於斯裡蘭不過之後,迪亞茲的研究之路就沒有那麼平坦了。
2020年10月14日,英國《自然》(Nature)雜誌發表的一篇首次實現 “室溫超導” 的封面論文引發轟動。迪亞茲團隊創造出一種三元氫化物(C-S-H),在267萬個超高大氣壓下,實現了轉變溫度為15攝氏度的超導電性,即觀察到常溫超導現象。投稿僅2個月就登上了《自然》雜誌封面,被譽為是諾獎級的工作。
迪亞茲聲稱,這是人類第一次在室溫下觀察到超導現象。他們的發現將為許多潛在的應用提供可能。但他們雖然解決了溫度的障礙,卻又出現了高壓難題——267萬個大氣壓,十分接近於300萬個大氣壓的地球地心處的壓力。這麼高的壓力,全世界也只有很少的實驗室可以實現——這為後來的“撤稿”事件埋下伏筆。
當時,美國學術界普遍看好這一試驗,美國加利福尼亞大學聖迭戈分校物理教授布賴恩·梅普爾(Merrill Maple)評價道:“這項研究啟發了人們思考常規超導體和高溫超導體的關係、超導電子配對的機制、未來尋找新材料的方向、應用超導技術的新領域等,描繪了人類更加美好的未來。”
不過,也有研究者認為,迪亞斯的實驗條件十分極端,這意味著距離實際應用還非常遙遠。而迪亞斯等人創建了一家名為“非凡材料”的公司,以將室溫超導材料儘快商業化。
但迪亞茲的這項研究成果無法復現,其實是業內最大的槽點。迪亞茲後來稱,其在實驗過程不小心打碎了金剛石,後面也沒再重複實驗。不過,近500GPa的高壓技術,國際上仍有幾個研究組是可以做到的,迪亞茲他們卻沒有重複出來金屬氫的實驗結果。
更令人難以置信的是,這篇論文的關鍵證據之一,即金剛石對頂砧裡的金屬氫照片,是用 iPhone 攝像頭拍的,顯得極其不專業。後來被反覆追問下,迪亞茲承認 “金屬氫” 的實驗成功率並不高,可能也就那麼一兩次獲得了“有效”的實驗數據。科學家們有理由懷疑,最終得到的 “金屬反射” 信號可能來自高壓腔體內的金屬墊片,而不是金屬氫本身,後來作者也發文更正了光電導的數據。因此,金屬氫是否真的能實現室溫超導,成為一個未解謎團。
在科學家集體質疑聲中,2022年9月26日,在所有論文作者都不同意撤稿的情況下,英國《自然》雜誌編輯部撤掉了這篇論文。
《自然》雜誌認為,在一些關鍵的數據處理步驟中,這篇論文使用了一種非標準化的、用戶自定義的程式。具體而言,這個程式指的是論文中用來處理原始數據、以生成磁化率圖的背景減法(用於處理嘈雜背景信號的方法),處理後的數據減法並沒有在論文中解釋,因此數據有效性也受到質疑,其認為這會削弱外界對磁化率數據的信心。
Dias所在團隊的論文於2022年9月26日被《自然》撤稿同一天,頂級期刊《科學》深度報道此次撤稿事件並採訪了該事件的幾位當事人。報道題目直接引用了科學家的一句原話:“Something is seriously wrong”(事情很嚴重)。
僅僅過了不到半年,如今,迪亞茲帶著新的/另外三元氫化物鑥-氮-氫(N-Lu-H)捲土重來(之前是氫-硫-碳)。在 1GPa 不那麼極端的高壓力下,實現了更高的超導轉變溫度21攝氏度——壓強更低了,超導臨界轉變溫度(Tc)更高了。
在近15分鐘演講中,迪亞茲反覆對室溫超導進行詳細講述。不過,3月9日《自然》雜誌刊登的論文中也坦言,儘管這一研究結果超乎想像,但還需要進一步的實驗和類比來確定氫和氮的確切化學計量及其各自的原子位置,從而瞭解材料的超導狀態。
1GPa下,材料能在接近21℃的溫度條件下實現超導狀態(來源論文)在拉斯維加斯最新成果的發佈現場,小小報告廳裡擠滿了各路物理大牛。包括高溫超導先驅朱經武教授,以及此前一直在質疑室溫超導的日內瓦大學凝聚態物理學家Dirk van der Marel。而在報告廳外,更是擠滿了大批未能入場的物理學研究者,以至於保全需要不斷驅散人群,防止消防隱患。
但美國雙週刊科學雜誌ScienceNews認為,這項研究可能將會面受到非常嚴格的同行審查,尤其是關於復現效果的。
人們對“室溫超導”抱有希望,但疑慮依然存在
繼去年12月美國加州勞倫斯利佛莫耳國家實驗室在可控聚變實驗中實現聚變點火、獲得“能量淨增益”(Q>1),以及OpenAI發佈的人工智慧聊天模型ChatGPT之後,美國科學家這次又成功地在物理學界扔下一枚“核彈”。
(詳見鈦媒體App前文:《中美“激戰”核聚變》、《ChatGPT殺瘋了,兩個月引爆千億美金新賽道》)
目前,儘管外界對於這一實驗感到震驚,但鑑於迪亞茲此前的爭議,業內更多處於“觀望”情緒。
中科創星創始合夥人米磊對鈦媒體App表示:“我去年就認為超導之於能源領域就是半導體之於資訊領域,過去60年資訊革命依靠的是半導體材料的突破,未來60年的能源革命依靠的是超導材料的突破。所以我們去年開始大力佈局高溫超導材料方向,現在已經投了三家高溫超導材料上下遊公司,投資額過億,只是沒想到這個方向這麼快又火了。”
羅會仟在3月8日晚的中科院物理所直播中表示,這次研究的大約1萬大氣壓比曾經的200GPa低很多,實驗很可能會實現復用。比如,以前很少有做比熱測量來驗證超導轉變,就是因為壓強過高不容易做,而這次的1GPa就使得比熱測量成為可能。
研究學者季燕江則認為,儘管完全抗磁性測量(邁斯納效應)在實驗上很困難,但說迪亞茲故意造假,他認為還缺乏證據。
一位量子領域學者對鈦媒體App表示,目前量子計算還是始終要超低溫,常溫超導還是很難實現的。另有物理學者認為,無論是常溫超導,還是高溫超導,溫度只是衡量超導應用的指標而已,目前應用最多的依舊是鈮鈦合金超導體,這種常溫超導短期內很難實際應用。
一位知乎答主表示,對於這類研究,最好還是等一等同行復現的結果。他認為這次結果仍然只是一家之言,而不是同行評議的結果。
中國科學院物理研究所靳常青和伊利諾伊大學香檳分校戴維·塞珀利聯合在《自然》雜誌刊文稱,作者的發現無疑會引起爭議,因為幾乎是其他具有高溫超導性的氰化物的兩倍,並且表明與類似的超導化合物相比,論文樣品中存在的氫相對較少。如果氮摻雜確實是超導狀態的部分原因,那麼它在實現如此高的轉變溫度方面的作用還有待確定。
“無論機制如何,在環境條件下超導材料的前景都是誘人的。超導材料可以製造強大的磁體,例如用於磁共振成像 (MRI)——這項技術自半個世紀前首次出現以來就對醫學診斷產生了深遠影響,這種材料也可以用作懸浮物體,激發磁懸浮列車的想法。但標準MRI系統目前在沒有高溫超導元件的情況下需要昂貴的製冷,因此,也許該研究新的氫化物化合物將使我們更接近這些技術成為現實。”靳常青和塞珀利共同表示。
那麼,對於“室溫超導”聖杯這次是否要大結局,更多人認為還需讓“子彈”多飛一會。
編輯/jayden