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南京大學(xué)聞?;F(tuán)隊(duì)重復(fù)實(shí)驗(yàn)再次推翻美國(guó)室溫超導(dǎo)轟動(dòng)性研究
最后更新: 2023-03-20 09:20:00聞?;?圖片來源:南京大學(xué)
“這個(gè)結(jié)論肯定是推翻了,毋庸置疑的?!蹦暇┐髮W(xué)超導(dǎo)物理和材料研究中心主任聞?;?duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說出這句話的時(shí)候,語氣足夠堅(jiān)決。
“這個(gè)結(jié)論”,指的就是當(dāng)下大火的美國(guó)羅切斯特大學(xué)Ranga Dias團(tuán)隊(duì)的室溫超導(dǎo)研究。他們宣稱自己研發(fā)的一種镥氮?dú)洳牧显诮?萬個(gè)大氣壓(1GPa)下實(shí)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)。
3月15日,聞海虎團(tuán)隊(duì)在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv提交了一篇包括9名作者、長(zhǎng)達(dá)16頁(yè)的研究論文,直截了當(dāng)否定了Dias的研究結(jié)論。論文結(jié)論稱:“我們的實(shí)驗(yàn)清楚地表明,從環(huán)境壓力到6.3GPa,溫度低至10K(約-263攝氏度),镥氮?dú)洳牧螸uH2±xNy中不存在超導(dǎo)性。”
這距離Dias的研究發(fā)布只有8天,如果實(shí)錘,Dias將會(huì)再次被打臉。
復(fù)刻Dias實(shí)驗(yàn)
3月7日,看見Dias在美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上的報(bào)告結(jié)果后,聞海虎火速安排重復(fù)實(shí)驗(yàn),“我們的初步樣品很快出來了,后來又作了一些調(diào)整”。
為何效率如此之高?聞?;⒎Q,這是他們團(tuán)隊(duì)加班加點(diǎn)共同努力的結(jié)果。事實(shí)上,這個(gè)復(fù)刻實(shí)驗(yàn)“難度不是很大”,但是“測(cè)量起來還是有難度的”,因?yàn)樾枰?xì)的信號(hào),而數(shù)據(jù)分析也是有難度的,幸好他們“平時(shí)有很好的積累”。
實(shí)驗(yàn)并非完全復(fù)刻。聞海虎發(fā)現(xiàn),Dias給的制備樣品方案幾乎不可行,于是他們結(jié)合自己的條件,完全以新的方式進(jìn)行合成并得到了镥氮?dú)洳牧?。X射線衍射儀技術(shù)檢查顯示,該材料結(jié)構(gòu)與Dias的樣品幾乎一致,且能量色散X射線光譜儀分析也發(fā)現(xiàn)了氮元素。
聞?;F(tuán)隊(duì)隨即在6萬個(gè)大氣壓以下的不同壓力中,對(duì)該材料電阻進(jìn)行了測(cè)量,發(fā)現(xiàn)低至10K都沒有超導(dǎo)發(fā)生。同時(shí),他們也進(jìn)行了仔細(xì)的磁化測(cè)量,發(fā)現(xiàn)沒有超導(dǎo)所需的抗磁信號(hào)。聞?;⒄f,這些發(fā)現(xiàn)足以否定Dias的常溫低壓下的超導(dǎo)結(jié)論。
因?yàn)镈ias沒有說明其研究材料中的氮含量,目前只能以材料結(jié)構(gòu)來討論。聞?;⒄f,盡管樣品中氮含量或許有所不同,但是材料結(jié)構(gòu)一樣、3種元素兼具,這個(gè)情況下要有超導(dǎo)就應(yīng)該產(chǎn)生了,“不能說那一點(diǎn)成分的改變會(huì)決定超導(dǎo)或不超導(dǎo)”。
為什么Dias的制備樣品方案不可行呢?Dias的方案是,用兩個(gè)小金剛石對(duì)微腔中的镥、氮?dú)夂蜌錃庠?5攝氏度下加壓到1萬個(gè)大氣壓。聞?;⒎治稣f,Dias的材料制備方法存在明顯的不合理性,65攝氏度太低,這個(gè)溫度下能產(chǎn)生金屬和氮?dú)?、氫氣的反?yīng)是不可思議的。
聞?;⒄f,Dias可能給了一個(gè)錯(cuò)誤的條件,或許是溫度少了一個(gè)“0”,“除非用激光加熱,否則很難做出來”,然而Dias并沒有提到激光。聞?;F(tuán)隊(duì)采用了高溫高壓爐來燒,很快就得到了镥氮?dú)洳牧稀?
聞?;⒖紤]得更嚴(yán)謹(jǐn)。他說,這個(gè)材料在幾十萬個(gè)大氣壓下是否會(huì)出現(xiàn)高溫超導(dǎo)還不能下結(jié)論,“我們也正在做”。
需要更多的驗(yàn)證
從1968年到今天,物理學(xué)家一直在研究與氫有關(guān)的超導(dǎo)屬性,硫化氫、稀土氫化物和堿土氫化物可以在超過200K的溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。
Dias團(tuán)隊(duì)這次將氫化镥中的部分氫換成氮,并宣稱在1GPa、20攝氏度的最高轉(zhuǎn)變溫度下測(cè)量到了超導(dǎo)。如果被證實(shí),這將是史無前例的一大進(jìn)步。
此前,中科院物理研究所研究員靳常青在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí),提及Dias這次研究的幾個(gè)存疑細(xì)節(jié),包括合成樣品結(jié)構(gòu)不清楚、氫的含量太低(與之前發(fā)現(xiàn)的富氫超導(dǎo)體迥異)。
為何氫的含量如此重要?這與學(xué)界對(duì)超導(dǎo)的一種固有認(rèn)識(shí)有關(guān)。一般而言,超導(dǎo)材料中氫含量越高,其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度越高。
計(jì)算化學(xué)家、美國(guó)加州州立大學(xué)北嶺分校副教授苗茂生告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》,富氫超導(dǎo)體和低氫超導(dǎo)體二者是“完全不同的系統(tǒng)”,Dias的結(jié)論顛覆了已有的認(rèn)識(shí)。比如十氫化鑭超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為零下13攝氏度,已經(jīng)很高了;而Dias的镥氮?dú)洳牧现?,镥:氫摩爾比不?,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于十氫化鑭,其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度卻高于十氫化鑭。
苗茂生說,很難想象Dias的镥氮?dú)洳牧蠒?huì)成為一個(gè)電聲子耦合超導(dǎo)?;陔娐曌玉詈侠碚撚?jì)算得出,這個(gè)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)該在十幾K。
他提示,高壓實(shí)驗(yàn)是非常難做的實(shí)驗(yàn),樣品特別小,合成條件又很難達(dá)到非常均勻,加上信號(hào)測(cè)量的噪聲非常大,這些都是容易產(chǎn)生誤判的因素。
除了聞海虎團(tuán)隊(duì)的論文外,近期還有數(shù)篇有關(guān)氫镥材料的類似研究發(fā)表。
更早的研究來自靳常青團(tuán)隊(duì)。3月9日,他們?cè)赼rXiv發(fā)表研究稱,多氫化镥在218GPa的壓力下超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為71K(約-202攝氏度);當(dāng)壓力釋放到181GPa時(shí),超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度降低到65K(約-208攝氏度)。這些超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室溫。
中科院物理研究所研究員程金光團(tuán)隊(duì)于3月12日在arXiv發(fā)布了另一項(xiàng)研究。盡管他們的材料沒有添加氮元素,但他們?cè)诟哌_(dá)7.7GPa的壓力下對(duì)二氫化镥的測(cè)量表明,溫度低至1.5K(約-272攝氏度)時(shí)沒有超導(dǎo)性。
值得關(guān)注的是,Dias的兩次“前科”讓人無法對(duì)其研究放心??蓽y(cè)試、可重復(fù)和透明度是科學(xué)研究具有可信度的重要因素。Dias此前的兩次重要研究,包括發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的金屬氫研究和發(fā)表在《自然》雜志上的碳?xì)淞虺瑢?dǎo)研究,均未具備這些因素。
《自然》雜志也注意到了Dias的過往。靳常青和美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校的David Ceperley在該期刊發(fā)表評(píng)論文章稱,因?yàn)镈ias關(guān)于碳硫氫化物高溫超導(dǎo)的論文被撤回,對(duì)其最新研究的獨(dú)立測(cè)量數(shù)據(jù)將有助于消除疑慮。
苗茂生也提醒說,既然《自然》雜志接受了Dias的工作,那么就要嚴(yán)肅地討論它。如果要否定他的工作,那么就需要更多的證據(jù)和重復(fù)性驗(yàn)證,后續(xù)應(yīng)該會(huì)有多個(gè)驗(yàn)證論文很快發(fā)表。
相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.08759
(原標(biāo)題為《室溫超導(dǎo)轟動(dòng)性研究8天就翻車?》)
(孫滔/中國(guó)科學(xué)報(bào))
- 原標(biāo)題:南京大學(xué)聞?;F(tuán)隊(duì)重復(fù)實(shí)驗(yàn)再次推翻美國(guó)室溫超導(dǎo)轟動(dòng)性研究
- 責(zé)任編輯: 范維 
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