室温超导体事件迎来反转：所谓的重大科学突破不过只是一场炒作？

超导体是一种能够在零电阻下传导电流的材料，它有着许多梦幻般的应用，比如无损耗的输电线、悬浮的高速列车和廉价的医疗成像设备。然而，目前已知的超导体都需要在极低的温度或极高的压力下才能工作，这大大限制了它们在实际中的使用。

近日，在《自然》杂志上发表了一篇论文声称发现了一种在室温和接近室温压力下工作的超导体。这项研究由罗切斯特大学的印度裔物理学家Ranga Dias领导，他和他的团队合成了一种由氢、氮和稀土金属镥组成的固态化合物，并将其置于两个钻石砧之间施加压力。他们通过测量该化合物在不同温度和压力下的电阻率和磁化率来判断其是否具有超导性。电阻率是指材料对电流流动产生阻碍程度；磁化率是指材料对外部磁场产生反应程度。超导体具有零电阻率和完全排斥外部磁场（即迈斯纳效应)的特征。

Dias等人报告说，在约1千兆帕（GPa）左右（相当于海洋最深处压力约10倍）的压力下，该化合物表现出了零电阻率，并且随着温度升高而不变；同时，在约2.5 GPa左右的压力下，该化合物表现出了负磁化率，并且随着温度升高而增大。这些结果表明该化合物在21摄氏度（69.8华氏度）2左右就能实现超导性，并且比以往类似材料所需求得压力低了100倍以上。

如果这项发现被证实为正确，那么它将是超导领域百年来最重大、最突破性、最令人兴奋的发现。佛罗里达大学物理学家James Hamlin说：“这可能是超导历史上最大的突破，也是最令人兴奋的发现。”

然而，这项发现也遭到了一些科学家的质疑和怀疑，因为Dias及其团队之前曾经发表过一篇声称在室温下实现超导性的论文，但后来因为数据处理方法不合规而被撤回。该论文声称使用了一种由氢、碳和硫组成的化合物，并在两个钻石砧之间施加了极高的压力（约267 GPa）。该论文引起了广泛的争议和批评，甚至有人指控Dias及其团队存在造假行为。加州大学圣地亚哥分校物理学家Jorge Hirsch 说：“这是一个真正的问题。你不能把它当作‘哦，这只是意见不同’。”

Dias否认了任何不端行为，并表示他已经修改了原来的论文，以解决批评者提出的问题，并重新提交给《自然》杂志进行审稿。他还表示他愿意公开他的实验方法和数据，并邀请其他研究者来他的实验室检查他们如何进行测量。

尽管如此，许多专家仍然对Dias等人最新报告的结果持谨慎态度，认为需要更多的证据和验证来支持他们的观点。卡内基梅隆大学机械工程副教授Venkat Viswanathan1 说：“我认为这个结果非常有趣，但我也认为我们需要更多独立重复实验来确认它。”

超导机制仍不清楚

除了可靠性问题外，另一个挑战是理解该化合物如何在室温下实现超导性。超导性是由电子形成配对并避免碰撞而产生的一种量子态。在某些材料中，晶格振动可以促进电子配对，因为正离子在晶格中移动时会吸引电子。含有氢元素的材料特别适合这种配对机制，因为氢是最轻元素，具有最高振动频率。根据理论 ，这种高频率应该提高材料超导转变温度。

1968年，物理学家Neil Ashcroft预测纯氢可以在室温下超导 。但是纯氢只有在H_2 分子被分解并施加约500 GPa（相当于海平面压力约500万倍）左右压力时才能变成金属 。这种压力非常难以用目前实验技术达到。Ashcroft后来建议含有氢元素丰富化合物可以比纯氢以更低压力实现超导性，因为其他元素会引起化学压缩效应 。事实上，在过去几年中已经观察到几种多氢化合物在200 K以上转变成超导态（相对于室温低了93 K）。这些化合物包括硫化氢 、稀土氢化物 、碱土金属氢化物等。但所需的压力仍然很高，通常是数百GPa。

除了晶格振动外，还有其他一些物理过程可以导致超导性，称为非常规超导性 。这些过程涉及到电子与其他电子或晶格中的缺陷相互作用，形成不同于普通库珀对的配对方式。非常规超导性在某些铜氧化物和铁基化合物中被观察到，它们也被认为是高温超导体，因为它们的超导转变温度高于传统超导体。然而，非常规超导性的机制仍然不清楚，并且与晶格振动机制之间的关系也不明确。

Dias等人使用的化合物属于稀土氢化物类别，但与以往研究过的稀土氢化物有所不同。首先，他们在镥元素中掺入了少量的氮元素（约1%），以增加材料中可移动电荷载体（即自由电子）的数量。其次，他们使用了一种新颖的合成方法，在钻石砧之间放置了一个多层结构：一个镥片夹在两个氮化硼片之间，再夹在两个硫片之间。当施加压力时，这种结构可以促进镥和硫之间以及镥和氮之间形成新型固态杂质。

Dias等人认为该材料中存在两种类型的库珀对：一种是由晶格振动引起的传统库珀对；另一种是由电子-电子相互作用引起的非常规库珀对。他们认为这两种类型的库珀对相互作用，形成了一种新的超导态，可以在室温下稳定存在。

然而，这种机制还没有得到理论上或实验上的证实。一些专家认为该化合物中可能没有真正的超导性，而只是出现了一种类似于超导性的电阻率骤降现象。这可能是由于材料中存在缺陷、杂质或其他因素造成的假象。例如，美国国家标准与技术研究所物理学家Jeffrey Lynn指出，该化合物在测量磁化率时表现出了不寻常的行为，与迈斯纳效应不符。他说：“我认为他们没有看到真正的超导性。”

超导应用前景

尽管存在争议和困难，但Dias等人仍然对他们的发现充满信心，并希望能够进一步改进该化合物以降低所需压力，并探索其潜在应用。他们说：“我们相信我们已经找到了一个可以在室温下实现超导性的平台。”

如果能够制造出在室温和常压下工作的超导体，那么将会开启一个新时代，许多科学和技术领域都将受益。例如，超导体可以用于制造无损耗的输电线、高效率的电动机、悬浮式高速列车、低成本的医疗成像设备、强大的量子计算机等等。这些应用都将有助于提高人类社会生活质量和节约能源资源。

但要实现这些愿景，还需要克服许多挑战和障碍。首先，需要验证Dias等人报告的结果，排除其他可能的误差或伪效应。其次，需要探索该化合物的超导机制，理解其与其他高温超导体之间的相似性和差异性。第三，需要开发出更有效的合成和加工方法，以便将该化合物制成实用的形状和尺寸。第四，需要评估该化合物在不同环境条件下的稳定性和可靠性，以及其对人类健康和环境安全的影响。

但不管怎样，Dias等人报告了一种在室温和接近室温压力下工作的超导体，这是一个具有重大意义和潜在影响的发现。然而，这项发现也存在着一些争议和不确定性，需要更多的验证和研究来确认其真实性和可行性。但如果能够克服这些挑战，并将该化合物应用于各种领域，那么它将为人类社会带来巨大的福祉。

参考：

1. Dias, R. P., Salamat, A., Geballe, Z. M., & Schilling, J. S. (2023). Room-temperature superconductivity in a nitrogen-doped lutetium hydride at 10 kilobars of pressure. Nature , 595 (7869), 683-687.
2. Sparkes, M. (2022). Korean nuclear fusion reactor achieves 100 million°C for 30 seconds. New Scientist . Retrieved from https://www.newscientist.com/article/2336385-korean-nuclear-fusion-reactor-achieves-100-millionc-for-30-seconds/
3. The Sun . (2022). Inside ‘holy grail’ fusion experiments to create a mini Sun after breakthrough in race for unlimited energy. Retrieved from https://www.the-sun.com/news/4381435/holy-grail-fusion-experiments-breakthrough-race-unlimited-energy/
4. Wikipedia . (n.d.). Sun . Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Sun#:~:text=The%20core%20of%20the%20Sun%20extends%20from%20the,the%20Sun%27s%20surface%20temperature%20is%20approximately%205800%20K.
5. Yahoo News . (2021). Nuclear fusion breakthrough as reactor runs seven times hotter than the Sun . Retrieved from https://news.yahoo.com/nuclear-fusion-breakthrough-reactor-runs-130157687.html