文｜觀察未來科技
3 月 7 日，在美國內(nèi)華達州拉斯維加斯舉辦的物理學(xué)會年會上，一顆驚雷平地炸響——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宣布，他和他的團隊已經(jīng)實現(xiàn)了高溫超導(dǎo)的百年夢想，Ranga Dias發(fā)現(xiàn)了一種超導(dǎo)體，能在室溫和接近常壓的環(huán)境下工作。
說是驚雷炸響是因為凝聚態(tài)物理學(xué)作為當(dāng)今物理最大、最重要的分支學(xué)科之一，凝聚態(tài)物理的“圣杯”之一就是室溫超導(dǎo)。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。這也難怪為什么 Ranga Dias的演講會座無虛席，甚至還需要安保人員將好奇的旁觀者趕走的原因。沖擊物理學(xué)百年“圣杯”， Ranga Dias會成功嗎？
百年“圣杯”之常溫超導(dǎo)
顧名思義，超導(dǎo)就是超級導(dǎo)電的意思。
根據(jù)導(dǎo)電性能，物質(zhì)可以被分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。在導(dǎo)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，不過，經(jīng)過導(dǎo)體的電阻會阻礙它們的運動。
而超導(dǎo)體則在一定溫度之下電阻為零——如果電路由超導(dǎo)體組成，電荷就能在電路中自由自在地奔跑，電流會一直流動下去。
超導(dǎo)現(xiàn)象最早由荷蘭物理學(xué)家海克·卡末林·昂內(nèi)斯（Heike Kamerlingh Onnes）發(fā)現(xiàn)。1911年，卡末林·昂內(nèi)斯在研究低溫下金屬電阻變化規(guī)律時意外發(fā)現(xiàn)：將水銀冷卻到零下270攝氏度左右時，水銀的電阻突然消失了?？┝帧ぐ簝?nèi)斯將這種低溫下導(dǎo)體電阻突變?yōu)榱愕默F(xiàn)象稱為“超導(dǎo)”，并將使導(dǎo)體進入超導(dǎo)態(tài)的溫度稱為超導(dǎo)臨界溫度。海克·卡末林·昂內(nèi)斯也因液氦的制備和超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，獲得了1913年的諾貝爾物理學(xué)獎。
除了電阻為0以外，之后，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)下材料的另一個特殊的性質(zhì)——完全抗磁性，即超導(dǎo)材料內(nèi)部沒有磁場。1933年，德國物理學(xué)家瓦爾特·邁斯納（Walther Mei?ner）和羅伯特·奧克森菲爾德（Robert Ochsenfeld）發(fā)現(xiàn)，材料轉(zhuǎn)變成超導(dǎo)體后，就好像武僧穿上了金鐘罩，體內(nèi)的磁場會全部排斥在外。這一現(xiàn)象因此也被稱為邁斯納效應(yīng)。
超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，引起了人們的極大興趣。僅從最簡單應(yīng)用設(shè)想來看，如果能夠用超導(dǎo)材料取代導(dǎo)體材料制作電線，就能使遠距電能傳輸?shù)膿p耗降低到可忽略不計。要知道，當(dāng)前，應(yīng)用電子技術(shù)都基于有電阻的電路，大量能源因普通導(dǎo)體存在電阻而轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃堪装讚p耗。而實現(xiàn)室溫超導(dǎo)則有望使電能極少轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，從而提升?dǎo)體和裝置的效率，極大地推動現(xiàn)有電子技術(shù)的發(fā)展，讓更多精細電子元件可以應(yīng)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(dǎo)輸電可以節(jié)約目前高壓交流輸電技術(shù)中15%左右的損耗，超導(dǎo)變壓器、發(fā)電機、電動機、限流器以及儲能系統(tǒng)可以實現(xiàn)高效的電網(wǎng)和電機。利用超導(dǎo)線圈制作的超導(dǎo)磁體具有體積輕小、磁場高、均勻性好、耗能低等優(yōu)勢，是高分辨核磁共振成像、基礎(chǔ)科學(xué)研究、人工可控核聚變等關(guān)鍵技術(shù)的核心。
簡單來說，超導(dǎo)體的現(xiàn)實應(yīng)用，有可能為科學(xué)技術(shù)帶來巨大而深刻的變革。然而，人們只有在極冷的溫度或超高壓力下才能觀察到超導(dǎo)性——這些條件使實驗材料無法用于長期、常規(guī)的應(yīng)用，比如，無損電力傳輸、懸浮高速列車和平價醫(yī)療影像設(shè)備。
因此，百余年來，實現(xiàn)室溫超導(dǎo)就成為了科學(xué)家們的一個終極夢想。通過大量的實驗嘗試和驗證，各國科學(xué)家在液氮溫度的基礎(chǔ)上艱難提升著超導(dǎo)材料的超導(dǎo)臨界溫度。近年來，中國、德國、美國科學(xué)家在這方面已取得一系列技術(shù)突破，已有材料在極高壓強環(huán)境下表現(xiàn)出了室溫超導(dǎo)特性，但嚴(yán)苛的環(huán)境條件依然限制著超導(dǎo)材料的實際應(yīng)用。
物理學(xué)會炸響驚雷
直到今天，人們還在孜孜不倦地追求室溫超導(dǎo)材料。目前，室溫超導(dǎo)材料也尚未發(fā)現(xiàn)。而近日，在美國拉斯維加斯舉辦的物理學(xué)會上，美國羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家Ranga Dias卻發(fā)表了主題為“極端條件下的物質(zhì)：靜態(tài)超導(dǎo)實驗”的演講，并宣稱他和團隊創(chuàng)造出一種能在室溫和近常壓下工作的超導(dǎo)體。
這是一場座無虛席的演講，在開場前的 15 分鐘就已經(jīng)人滿為患，安保人員只好出面攔阻更多想進去的觀眾。據(jù)Ranga Dias介紹，這是一種由氫、氮和镥組成的新材料，它能在室溫和不太高的壓力環(huán)境條件下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。Ranga Dias在演講中表示：“我們在碳質(zhì)硫氫化物中發(fā)現(xiàn)的室溫超導(dǎo)性表明，三元或更大的體系可能是實現(xiàn)更高轉(zhuǎn)變溫度和在室溫條件下實現(xiàn)超導(dǎo)性的關(guān)鍵?！薄皩τ趯嶋H應(yīng)用來說，這意味著一種新型材料體系的誕生?！?/p>
就在Ranga Dias宣布此次成果之后，當(dāng)?shù)貢r間 3 月 8 日，相關(guān)論文以《氮摻雜氫化镥中近環(huán)境超導(dǎo)性的證據(jù)》為題發(fā)表在 Nature 上。
Ranga Dias在論文中表示，他制備了一種由氫、氮和稀土金屬镥反應(yīng)所得的固體材料，能以完美的效率導(dǎo)電。在21℃ 和大約 1Gpa（1GPa=10 Kbar）的壓力下，這種新合成的化合物能以零電阻的形式傳導(dǎo)電流。事實上，1GPa 仍然是一個很大的壓力，大約是馬里亞納海溝最深處壓力的 10 倍。當(dāng)然，即便如此，相比此前使用類似材料所進行的實驗，Ranga Dias實驗里的所需壓力遠低于他們，也遠低于目前主流室溫超導(dǎo)體所需的數(shù)百萬個大氣壓。
研究中，Ranga Dias將薄镥箔裝入鉆石砧中，并注入氫氣和氮氣的混合物。通過將壓力提高到2GPa——大氣壓的近 20000 倍，并在200℃下將混合物加熱3天，腔體中形成了亮藍色的晶體，即使在壓力下降之后，新合成的物質(zhì)仍能保持晶態(tài)。當(dāng)把壓力調(diào)低至0.3GPa時，隨著電阻降為零，藍色晶體變成了粉紅色。在1GPa的壓力下，該物質(zhì)可以達到294K的峰值超導(dǎo)溫度。
磁測量結(jié)果表明，這些樣品可以排斥外部施加的磁場，而這一現(xiàn)象正是超導(dǎo)體的標(biāo)志——即邁斯納效應(yīng)。
對于這一成果，佛羅里達大學(xué)物理學(xué)家 James Hamlin 評價說：“如果這是真的，那么他們的研究完全是革命性的。室溫超導(dǎo)是人們一個世紀(jì)以來的夢想?，F(xiàn)有的超導(dǎo)體需要昂貴而笨重的冷卻系統(tǒng)來無摩擦地導(dǎo)電。室溫超導(dǎo)體的誕生將使得電網(wǎng)、計算機芯片以及磁懸浮列車、核聚變發(fā)電所需的超強導(dǎo)體更加高效。”
可以說，假如這次Ranga Dias真的實現(xiàn)了室溫超導(dǎo)，那么，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，人類甚至可以進行遠距離的太空旅行。
不過，上海交大電氣工程系趙躍教授表示：“富氫高溫超導(dǎo)體（氫金屬化合物）的壓力一般都在 150GPa 左右，人們在試圖降低氫化物高溫超導(dǎo)所需壓力，所以降到 1GPa 已經(jīng)算非常低了。但是，1GPa 的壓力依然無法用到實際應(yīng)用場景里，甚至比低溫實現(xiàn)的難度還大?！币虼耍擃愋鲁瑢?dǎo)材料要想走出實驗室依然有很長的路要走?！?/p>
沖擊百年“圣杯”
這場關(guān)于室溫超導(dǎo)的會議報告，在全球也引起了轟動。畢竟，任何一個重大的科學(xué)突破都會受到全世界的高度關(guān)注，對于經(jīng)歷過撤稿風(fēng)波的 Ranga Dias 團隊尤其如此。
實際上，2020年10月，Ranga Dias團隊已經(jīng)在 Nature 發(fā)表論文稱他們首次實現(xiàn)了室溫超導(dǎo)。這篇已被撤稿的論文題目為《碳質(zhì)硫氫化物的室溫超導(dǎo)性》，其報道了碳質(zhì)硫氫化物體系中的超導(dǎo)性，在 267±10kMPa 下實現(xiàn)的最大超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為15℃。迪亞斯在這篇被撤稿的論文中提到，在鉆石砧的 140 至 275 Gpa 的壓力范圍內(nèi)觀察到了超導(dǎo)狀態(tài)，其在 220Gpa 以上的轉(zhuǎn)變溫度是急劇上升的。并且，在三元體系中引入化學(xué)調(diào)諧可以在較低壓力下保持室溫超導(dǎo)性能。
盡管壓力條件相較此次給出的結(jié)果，距離實際應(yīng)用更遠，但作為“首個室溫超導(dǎo)成果”，這項研究在當(dāng)時同樣轟動了學(xué)界，還登上了Nature封面。然而，就在這篇論文發(fā)表后的兩年間，這項研究卻引起了持續(xù)的爭議。其他實驗室反復(fù)嘗試，都未能復(fù)現(xiàn)結(jié)果。
2021年8月25日，一個核心爭議點被揪了出來：論文的磁化率數(shù)據(jù)有問題。簡單來說，就是Ranga Dias團隊在處理原始數(shù)據(jù)時，用特殊方法對背景噪聲進行了去除，但在論文中卻沒有針對這一數(shù)據(jù)處理方法，給出合理的解釋。提出h指數(shù)的理論物理學(xué)家Jorge Hirsch在驗證數(shù)據(jù)之后，甚至直接質(zhì)疑Ranga Dias團隊用多項式曲線擬合數(shù)據(jù)“是一種捏造”，是“一場科學(xué)騙局”。
最后，經(jīng)過一番調(diào)查之后，2022 年 Nature 還是撤回了這篇論文。需要說明的是，這次撤稿顯得有些不同尋常，因為 Nature 在論文九位作者聯(lián)合反對的情況下，堅決執(zhí)行了撤稿行動。面對這一結(jié)果，一直持質(zhì)疑態(tài)度的Jorge Hirsch表示：“撤稿還遠遠不夠，這掩蓋了科學(xué)不端行為的證據(jù)?！?/p>
基于上一次的撤稿爭議，此次，Ranga Dias向 Nature 提交了一份新手稿，他在實驗中重復(fù)了碳質(zhì)硫氫化物里的高溫超導(dǎo)性，他堅稱這將消除過去的指控。迪亞斯還表示，他與 Nature 分享了他所有的原始數(shù)據(jù)。
實際上，作為物理學(xué)界的“圣杯”之一，關(guān)于室溫超導(dǎo)的研究突破和成果爭議就從來沒有停止。全球最大的論文預(yù)印本網(wǎng)站arXiv.org經(jīng)常報道出各種“室溫超導(dǎo)體”，比如2016年Ivan Zahariev Kostadinov就聲稱他找到了臨界溫度為373 K的超導(dǎo)體，他沒有公布這個超導(dǎo)體的具體組分，甚至為了保密把他的研究單位寫成了“私人研究所”。
又比如，一隊科研人員聲稱在巴西某個石墨礦里找到了室溫超導(dǎo)體，并且做了相關(guān)研究并正式發(fā)表了論文。還有，在2018年8月，兩位來自印度的科研人員號稱在金納米陣列里的納米銀粉存在236 K甚至是室溫的超導(dǎo)電性，并且有相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)。
然而，這些聲稱的“室溫超導(dǎo)體”，都是很難經(jīng)得住推敲和考證的，它們很難被重復(fù)實驗來驗證。有的根本沒有公布成分結(jié)構(gòu)或者制備方法，就無法重復(fù)實驗；有的實驗現(xiàn)象極有可能是假象；有的實驗數(shù)據(jù)極有可能不可靠。其中，關(guān)于373 K超導(dǎo)的材料，所謂的“室溫超導(dǎo)磁懸浮”實驗更像是幾塊黑乎乎的材料堆疊在磁鐵上而已。而關(guān)于236 K超導(dǎo)那篇論文中的數(shù)據(jù)就被麻省理工學(xué)院的科研人員質(zhì)疑，因為實驗數(shù)據(jù)噪聲模式“都是一樣的”，這在真實實驗中是不可能出現(xiàn)的事情。
這確實是令人沮喪的，因為絕大部分室溫超導(dǎo)體都看起來這么不靠譜，而這次，Ranga Dias無疑再一次站上了挑戰(zhàn)百年圣杯的擂臺。事實是，如果Ranga Dias這一次對于凝聚態(tài)物理圣杯的沖擊能夠成功，那么，Ranga Dias的成就將超越火爆了三個多月的ChatGPT，甚至問鼎諾獎而人類的能源模式，也將永遠改變。