南京大學聞海虎團隊重複實驗再次推翻美國室温超導轟動性研究

聞海虎 圖片來源：南京大學

“這個結論肯定是推翻了，毋庸置疑的。”南京大學超導物理和材料研究中心主任聞海虎對《中國科學報》説出這句話的時候，語氣足夠堅決。

“這個結論”，指的就是當下大火的美國羅切斯特大學Ranga Dias團隊的室温超導研究。他們宣稱自己研發的一種鑥氮氫材料在近1萬個大氣壓（1GPa）下實現了室温超導。

3月15日，聞海虎團隊在預印本網站arXiv提交了一篇包括9名作者、長達16頁的研究論文，直截了當否定了Dias的研究結論。論文結論稱：“我們的實驗清楚地表明，從環境壓力到6.3GPa，温度低至10K（約-263攝氏度），鑥氮氫材料LuH2±xNy中不存在超導性。”

這距離Dias的研究發佈只有8天，如果實錘，Dias將會再次被打臉。

復刻Dias實驗

3月7日，看見Dias在美國物理學會會議上的報告結果後，聞海虎火速安排重複實驗，“我們的初步樣品很快出來了，後來又作了一些調整”。

為何效率如此之高？聞海虎稱，這是他們團隊加班加點共同努力的結果。事實上，這個復刻實驗“難度不是很大”，但是“測量起來還是有難度的”，因為需要精細的信號，而數據分析也是有難度的，幸好他們“平時有很好的積累”。

實驗並非完全復刻。聞海虎發現，Dias給的製備樣品方案幾乎不可行，於是他們結合自己的條件，完全以新的方式進行合成並得到了鑥氮氫材料。X射線衍射儀技術檢查顯示，該材料結構與Dias的樣品幾乎一致，且能量色散X射線光譜儀分析也發現了氮元素。

聞海虎團隊隨即在6萬個大氣壓以下的不同壓力中，對該材料電阻進行了測量，發現低至10K都沒有超導發生。同時，他們也進行了仔細的磁化測量，發現沒有超導所需的抗磁信號。聞海虎説，這些發現足以否定Dias的常温低壓下的超導結論。

因為Dias沒有説明其研究材料中的氮含量，目前只能以材料結構來討論。聞海虎説，儘管樣品中氮含量或許有所不同，但是材料結構一樣、3種元素兼具，這個情況下要有超導就應該產生了，“不能説那一點成分的改變會決定超導或不超導”。

為什麼Dias的製備樣品方案不可行呢？Dias的方案是，用兩個小金剛石對微腔中的鑥、氮氣和氫氣在65攝氏度下加壓到1萬個大氣壓。聞海虎分析説，Dias的材料製備方法存在明顯的不合理性，65攝氏度太低，這個温度下能產生金屬和氮氣、氫氣的反應是不可思議的。

聞海虎説，Dias可能給了一個錯誤的條件，或許是温度少了一個“0”，“除非用激光加熱，否則很難做出來”，然而Dias並沒有提到激光。聞海虎團隊採用了高温高壓爐來燒，很快就得到了鑥氮氫材料。

聞海虎考慮得更嚴謹。他説，這個材料在幾十萬個大氣壓下是否會出現高温超導還不能下結論，“我們也正在做”。

需要更多的驗證

從1968年到今天，物理學家一直在研究與氫有關的超導屬性，硫化氫、稀土氫化物和鹼土氫化物可以在超過200K的温度下轉變為超導態。

Dias團隊這次將氫化鑥中的部分氫換成氮，並宣稱在1GPa、20攝氏度的最高轉變温度下測量到了超導。如果被證實，這將是史無前例的一大進步。

此前，中科院物理研究所研究員靳常青在接受《中國科學報》採訪時，提及Dias這次研究的幾個存疑細節，包括合成樣品結構不清楚、氫的含量太低（與之前發現的富氫超導體迥異）。

為何氫的含量如此重要？這與學界對超導的一種固有認識有關。一般而言，超導材料中氫含量越高，其超導轉變温度越高。

計算化學家、美國加州州立大學北嶺分校副教授苗茂生告訴《中國科學報》，富氫超導體和低氫超導體二者是“完全不同的系統”，Dias的結論顛覆了已有的認識。比如十氫化鑭超導轉變温度為零下13攝氏度，已經很高了；而Dias的鑥氮氫材料中，鑥：氫摩爾比不到3，遠遠低於十氫化鑭，其超導轉變温度卻高於十氫化鑭。

苗茂生説，很難想象Dias的鑥氮氫材料會成為一個電聲子耦合超導。基於電聲子耦合理論計算得出，這個材料的超導轉變温度應該在十幾K。

他提示，高壓實驗是非常難做的實驗，樣品特別小，合成條件又很難達到非常均勻，加上信號測量的噪聲非常大，這些都是容易產生誤判的因素。

除了聞海虎團隊的論文外，近期還有數篇有關氫鑥材料的類似研究發表。

更早的研究來自靳常青團隊。3月9日，他們在arXiv發表研究稱，多氫化鑥在218GPa的壓力下超導轉變温度為71K（約-202攝氏度）；當壓力釋放到181GPa時，超導轉變温度降低到65K（約-208攝氏度）。這些超導轉變温度都遠遠低於室温。

中科院物理研究所研究員程金光團隊於3月12日在arXiv發佈了另一項研究。儘管他們的材料沒有添加氮元素，但他們在高達7.7GPa的壓力下對二氫化鑥的測量表明，温度低至1.5K（約-272攝氏度）時沒有超導性。

值得關注的是，Dias的兩次“前科”讓人無法對其研究放心。可測試、可重複和透明度是科學研究具有可信度的重要因素。Dias此前的兩次重要研究，包括髮表在《科學》雜誌上的金屬氫研究和發表在《自然》雜誌上的碳氫硫超導研究，均未具備這些因素。

《自然》雜誌也注意到了Dias的過往。靳常青和美國伊利諾伊大學香檳分校的David Ceperley在該期刊發表評論文章稱，因為Dias關於碳硫氫化物高温超導的論文被撤回，對其最新研究的獨立測量數據將有助於消除疑慮。

苗茂生也提醒説，既然《自然》雜誌接受了Dias的工作，那麼就要嚴肅地討論它。如果要否定他的工作，那麼就需要更多的證據和重複性驗證，後續應該會有多個驗證論文很快發表。

相關論文信息：https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.08759

（原標題為《室温超導轟動性研究8天就翻車？》）

（孫滔/中國科學報）