南京大学团队推翻美国室温超导研究

莱阳妞妞 · 发表于 2023-3-20 14:49:27

核心提示
1.Dias 团队将氢化镥中的部分氢换成氮，并宣称在 1GPa、20 摄氏度的最高转变温度下测量到了超导
2. 有关专家认为 Dias 实验存疑，包括合成样品结构不清楚、氢的含量太低。一般而言，超导材料中氢含量越高，其超导转变温度越高
3. 南大团队发现，在 6 万个大气压以下的不同压力中，低至 10K 都没有超导发生
4. 南大团队表示，Dias 的制备样品方案不可行，所以以新的方式进行合成并得到了镥氮氢材料
5. 除了闻海虎团队的论文外，近期还有数篇有关氢镥材料的类似研究发表
" 这个结论肯定是推翻了，毋庸置疑的。" 南京大学超导物理和材料研究中心主任闻海虎对《中国科学报》说出这句话的时候，语气足够坚决。

闻海虎图源：南京大学
" 这个结论 "，指的就是当下大火的美国罗切斯特大学 Ranga Dias 团队的室温超导研究。他们宣称自己研发的一种镥氮氢材料在近 1 万个大气压（1GPa）下实现了室温超导。
3 月 15 日，闻海虎团队在预印本网站 arXiv 提交了一篇包括 9 名作者、长达 16 页的研究论文，直截了当否定了 Dias 的研究结论。论文结论称：" 我们的实验清楚地表明，从环境压力到 6.3GPa，温度低至 10K（约 -263 摄氏度），镥氮氢材料 LuH2±xNy 中不存在超导性。"
这距离 Dias 的研究发布只有 8 天，如果实锤，Dias 将会再次被打脸。
复刻 Dias 实验
3 月 7 日，看见 Dias 在美国物理学会会议上的报告结果后，闻海虎火速安排重复实验，" 我们的初步样品很快出来了，后来又作了一些调整 "。
为何效率如此之高？闻海虎称，这是他们团队加班加点共同努力的结果。事实上，这个复刻实验 " 难度不是很大 "，但是 " 测量起来还是有难度的 "，因为需要精细的信号，而数据分析也是有难度的，幸好他们 " 平时有很好的积累 "。
实验并非完全复刻。闻海虎发现，Dias 给的制备样品方案几乎不可行，于是他们结合自己的条件，完全以新的方式进行合成并得到了镥氮氢材料。X 射线衍射仪技术检查显示，该材料结构与 Dias 的样品几乎一致，且能量色散 X 射线光谱仪分析也发现了氮元素。
闻海虎团队随即在 6 万个大气压以下的不同压力中，对该材料电阻进行了测量，发现低至 10K 都没有超导发生。同时，他们也进行了仔细的磁化测量，发现没有超导所需的抗磁信号。闻海虎说，这些发现足以否定 Dias 的常温低压下的超导结论。
因为 Dias 没有说明其研究材料中的氮含量，目前只能以材料结构来讨论。闻海虎说，尽管样品中氮含量或许有所不同，但是材料结构一样、3 种元素兼具，这个情况下要有超导就应该产生了，" 不能说那一点成分的改变会决定超导或不超导 "。
为什么 Dias 的制备样品方案不可行呢？Dias 的方案是，用两个小金刚石对微腔中的镥、氮气和氢气在 65 摄氏度下加压到 1 万个大气压。闻海虎分析说，Dias 的材料制备方法存在明显的不合理性，65 摄氏度太低，这个温度下能产生金属和氮气、氢气的反应是不可思议的。
闻海虎说，Dias 可能给了一个错误的条件，或许是温度少了一个 "0"，" 除非用激光加热，否则很难做出来 "，然而 Dias 并没有提到激光。闻海虎团队采用了高温高压炉来烧，很快就得到了镥氮氢材料。
闻海虎考虑得更严谨。他说，这个材料在几十万个大气压下是否会出现高温超导还不能下结论，" 我们也正在做 "。
需要更多的验证
从 1968 年到今天，物理学家一直在研究与氢有关的超导属性，硫化氢、稀土氢化物和碱土氢化物可以在超过 200K 的温度下转变为超导态。

Dias
Dias 团队这次将氢化镥中的部分氢换成氮，并宣称在 1GPa、20 摄氏度的最高转变温度下测量到了超导。如果被证实，这将是史无前例的一大进步。
此前，中科院物理研究所研究员靳常青在接受《中国科学报》采访时，提及 Dias 这次研究的几个存疑细节，包括合成样品结构不清楚、氢的含量太低（与之前发现的富氢超导体迥异）。
为何氢的含量如此重要？这与学界对超导的一种固有认识有关。一般而言，超导材料中氢含量越高，其超导转变温度越高。
计算化学家、美国加州州立大学北岭分校副教授苗茂生告诉《中国科学报》，富氢超导体和低氢超导体二者是 " 完全不同的系统 "，Dias 的结论颠覆了已有的认识。比如十氢化镧超导转变温度为零下 13 摄氏度，已经很高了；而 Dias 的镥氮氢材料中，镥：氢摩尔比不到 3，远远低于十氢化镧，其超导转变温度却高于十氢化镧。
苗茂生说，很难想象 Dias 的镥氮氢材料会成为一个电声子耦合超导。基于电声子耦合理论计算得出，这个材料的超导转变温度应该在十几 K。
他提示，高压实验是非常难做的实验，样品特别小，合成条件又很难达到非常均匀，加上信号测量的噪声非常大，这些都是容易产生误判的因素。
除了闻海虎团队的论文外，近期还有数篇有关氢镥材料的类似研究发表。
更早的研究来自靳常青团队。3 月 9 日，他们在 arXiv 发表研究称，多氢化镥在 218GPa 的压力下超导转变温度为 71K（约 -202 摄氏度）；当压力释放到 181GPa 时，超导转变温度降低到 65K（约 -208 摄氏度）。这些超导转变温度都远远低于室温。
中科院物理研究所研究员程金光团队于 3 月 12 日在 arXiv 发布了另一项研究。尽管他们的材料没有添加氮元素，但他们在高达 7.7GPa 的压力下对二氢化镥的测量表明，温度低至 1.5K（约 -272 摄氏度）时没有超导性。
三问 " 室温超导 "
1. 什么是 " 室温超导 "？
中国科学院物理研究所、超导国家重点实验室研究员罗会仟先解释了 " 超导现象 "，他说：" 超导是零电阻，没有损耗，通电不会发热。" 通常情况下，电流从物体中穿过会产生消耗。如果物体的电阻越小，这个物体的导电性就越强。所谓超导现象，就是一种特殊 " 零电阻 + 完全抗磁性 " 物理现象。1911 年春，荷兰物理学家海克 · 卡末林 · 昂内斯惊喜地发现在零下 269 ℃的环境中，汞的电阻降为零，他把这种现象称为超导性。
然而，这些材料只能在超低温下失去阻力，这限制了实际应用。几十年来，科学家们一直在寻找在室温下工作的超导体。如果室温超导研究被证实，那么超导材料将可能在生产生活中得到大规模应用。
2." 室温超导 " 会改变生活吗？
" 超导在很多方面有非常重要的用途。在城市电网里面用来输电的话，可以节省很多能源。超导还可以做高场磁体，应用到医院的核磁共振的成像。" 罗会仟告诉记者，" 超导应用的一个例子，就是我们的高温超导磁悬浮。"
据新华每日电讯，世界第一台高温超导高速磁悬浮列车就在四川成都正式亮相，由西南交通大学研发，其工作原理就是在列车底部安装超导体，然后在行进的过程中不断使用液氮将其降温到 " 高温 "（超导临界温度以下，约 77K），在电磁铁修建的轨道上运行。

高温超导高速磁浮工程化样车驾驶台图源：新华社
如果美国团队这一充满争议的 " 室温超导 " 研究被证实，是否能够投入大规模应用，改变人类的生活？
对此，罗会仟认为需要谨慎看待其商用未来前景。" 大家不要盲目乐观。室温超导都实现了，是不是将来所有的能源方面，我都可以用上？不是的，因为只要它某一个关键参数不好用，我们就可能很难做到规模化的应用。"
罗会仟进一步解释说：" 可以很肯定地说，如果是基于今天这个高压技术，它是绝对不可能有大规模应用。它不是单纯一个临界温度的指标就够了的。你光临界温度提高上去，材料其他的性质没有跟上去的话，它也用不了。" 他指出，即使降低了压力，约有 1 万个大气压的 1GPa 压力对于实际应用仍是一项挑战。
" 如果将来我们（假设）把压力撤掉，它这个材料依旧是稳定的，而且是室温超导的，可能这个材料用途就很高了。所有的能够用到电和磁的地方，我们都可以用上超导材料。"
3." 室温超导 " 能够带来多高的商业利益？
" 室温超导 " 带来的商业利益有多高？罗会仟表示，这一前景目前 " 没法判断 "。" 其实还远着，至少从今天来看，它最多是有一些基础研究的价值，只是证明我们有希望，但是希望要多久，其实可能是几年、几十年甚至一百年都有可能。我的判断是，这个技术所谓的颠覆性，不会一下子来得那么快。" 他表示，基础科研和应用科研差距很大，此项研究是基础科研，意义在于探索和发现。
罗会仟长期从事高温超导机理的基础科研，目前已发表论文 160 余篇，他在铁基超导体中的量子临界、自旋共振、电子向列涨落等前沿方面取得了不少进展。基于自己在科研工作中的感受，他告诉红星新闻记者：" 如果你整天只盯着这个东西一定要有什么用的话，对做基础科研的科学家来说是非常痛苦的。"

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