文｜觀察未來科技
3 月 7 日，在美國內華達州拉斯維加斯舉辦的物理學會年會上，一顆驚雷平地炸響——高溫超導疑似實現顛覆性突破。會議上，美國羅切斯特大學物理學家Ranga Dias宣布，他和他的團隊已經實現了高溫超導的百年夢想，Ranga Dias發現了一種超導體，能在室溫和接近常壓的環境下工作。
說是驚雷炸響是因為凝聚態物理學作為當今物理最大、最重要的分支學科之一，凝聚態物理的“圣杯”之一就是室溫超導。假如這次Ranga Dias真的實現了室溫超導，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。沖擊物理學百年“圣杯”， Ranga Dias會成功嗎？
百年“圣杯”之常溫超導
顧名思義，超導就是超級導電的意思。
根據導電性能，物質可以被分為導體、半導體和絕緣體。在導體中，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，經過導體的電阻會阻礙它們的運動。
而超導體則在一定溫度之下電阻為零——如果電路由超導體組成，電荷就能在電路中自由自在地奔跑，電流會一直流動下去。
超導現象最早由荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）發現。1911年，卡末林·昂內斯在研究低溫下金屬電阻變化規律時意外發現：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。卡末林·昂內斯將這種低溫下導體電阻突變為零的現象稱為“超導”，并將使導體進入超導態的溫度稱為超導臨界溫度。海克·卡末林·昂內斯也因液氦的制備和超導現象的發現，獲得了1913年的諾貝爾物理學獎。
除了電阻為0以外，之后，科學家又發現超導態下材料的另一個特殊的性質——完全抗磁性，即超導材料內部沒有磁場。1933年，德國物理學家瓦爾特·邁斯納（Walther Mei?ner）和羅伯特·奧克森菲爾德（Robert Ochsenfeld）發現，材料轉變成超導體后，就好像武僧穿上了金鐘罩，體內的磁場會全部排斥在外。這一現象因此也被稱為邁斯納效應。
超導材料的發現，引起了人們的極大興趣。僅從最簡單應用設想來看，如果能夠用超導材料取代導體材料制作電線，就能使遠距電能傳輸的損耗降低到可忽略不計。要知道，當前，應用電子技術都基于有電阻的電路，大量能源因普通導體存在電阻而轉變為熱量白白損耗。而實現室溫超導則有望使電能極少轉變為熱量，從而提升導體和裝置的效率，極大地推動現有電子技術的發展，讓更多精細電子元件可以應用到人類生活中。
中科院物理研究所羅會仟在一篇文章中提到，超導輸電可以節約目前高壓交流輸電技術中15%左右的損耗，超導變壓器、發電機、電動機、限流器以及儲能系統可以實現高效的電網和電機。利用超導線圈制作的超導磁體具有體積輕小、磁場高、均勻性好、耗能低等優勢，是高分辨核磁共振成像、基礎科學研究、人工可控核聚變等關鍵技術的核心。
簡單來說，超導體的現實應用，有可能為科學技術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性——這些條件使實驗材料無法用于長期、常規的應用，比如，無損電力傳輸、懸浮高速列車和平價醫療影像設備。
因此，百余年來，實現室溫超導就成為了科學家們的一個終極夢想。通過大量的實驗嘗試和驗證，各國科學家在液氮溫度的基礎上艱難提升著超導材料的超導臨界溫度。近年來，中國、德國、美國科學家在這方面已取得一系列技術突破，已有材料在極高壓強環境下表現出了室溫超導特性，但嚴苛的環境條件依然限制著超導材料的實際應用。
物理學會炸響驚雷
直到今天，人們還在孜孜不倦地追求室溫超導材料。目前，室溫超導材料也尚未發現。而近日，在美國拉斯維加斯舉辦的物理學會上，美國羅切斯特大學物理學家Ranga Dias卻發表了主題為“極端條件下的物質：靜態超導實驗”的演講，并宣稱他和團隊創造出一種能在室溫和近常壓下工作的超導體。
這是一場座無虛席的演講，在開場前的 15 分鐘就已經人滿為患，安保人員只好出面攔阻更多想進去的觀眾。據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境條件下表現出超導性。Ranga Dias在演講中表示：“我們在碳質硫氫化物中發現的室溫超導性表明，三元或更大的體系可能是實現更高轉變溫度和在室溫條件下實現超導性的關鍵。”“對于實際應用來說，這意味著一種新型材料體系的誕生。”
就在Ranga Dias宣布此次成果之后，當地時間 3 月 8 日，相關論文以《氮摻雜氫化镥中近環境超導性的證據》為題發表在 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所得的固體材料，能以完美的效率導電。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體所需的數百萬個大氣壓。
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，新合成的物質仍能保持晶態。當把壓力調低至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，該物質可以達到294K的峰值超導溫度。
磁測量結果表明，這些樣品可以排斥外部施加的磁場，而這一現象正是超導體的標志——即邁斯納效應。
對于這一成果，佛羅里達大學物理學家 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。室溫超導是人們一個世紀以來的夢想。現有的超導體需要昂貴而笨重的冷卻系統來無摩擦地導電。室溫超導體的誕生將使得電網、計算機芯片以及磁懸浮列車、核聚變發電所需的超強導體更加高效。”
可以說，假如這次Ranga Dias真的實現了室溫超導，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所需壓力，所以降到 1GPa 已經算非常低了。但是，1GPa 的壓力依然無法用到實際應用場景里，甚至比低溫實現的難度還大。”因此，該類新超導材料要想走出實驗室依然有很長的路要走。”
沖擊百年“圣杯”
這場關于室溫超導的會議報告，在全球也引起了轟動。畢竟，任何一個重大的科學突破都會受到全世界的高度關注，對于經歷過撤稿風波的 Ranga Dias 團隊尤其如此。
實際上，2020年10月，Ranga Dias團隊已經在 Nature 發表論文稱他們首次實現了室溫超導。這篇已被撤稿的論文題目為《碳質硫氫化物的室溫超導性》，其報道了碳質硫氫化物體系中的超導性，在 267±10kMPa 下實現的最大超導轉變溫度為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 的壓力范圍內觀察到了超導狀態，其在 220Gpa 以上的轉變溫度是急劇上升的。并且，在三元體系中引入化學調諧可以在較低壓力下保持室溫超導性能。
盡管壓力條件相較此次給出的結果，距離實際應用更遠，但作為“首個室溫超導成果”，這項研究在當時同樣轟動了學界，還登上了Nature封面。然而，就在這篇論文發表后的兩年間，這項研究卻引起了持續的爭議。其他實驗室反復嘗試，都未能復現結果。
2021年8月25日，一個核心爭議點被揪了出來：論文的磁化率數據有問題。簡單來說，就是Ranga Dias團隊在處理原始數據時，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據處理方法，給出合理的解釋。提出h指數的理論物理學家Jorge Hirsch在驗證數據之后，甚至直接質疑Ranga Dias團隊用多項式曲線擬合數據“是一種捏造”，是“一場科學騙局”。
最后，經過一番調查之后，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 在論文九位作者聯合反對的情況下，堅決執行了撤稿行動。面對這一結果，一直持質疑態度的Jorge Hirsch表示：“撤稿還遠遠不夠，這掩蓋了科學不端行為的證據。”
基于上一次的撤稿爭議，此次，Ranga Dias向 Nature 提交了一份新手稿，他在實驗中重復了碳質硫氫化物里的高溫超導性，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據。
實際上，作為物理學界的“圣杯”之一，關于室溫超導的研究突破和成果爭議就從來沒有停止。全球最大的論文預印本網站arXiv.org經常報道出各種“室溫超導體”，比如2016年Ivan Zahariev Kostadinov就聲稱他找到了臨界溫度為373 K的超導體，他沒有公布這個超導體的具體組分，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體，并且做了相關研究并正式發表了論文。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甚至是室溫的超導電性，并且有相關的實驗數據。
然而，這些聲稱的“室溫超導體”，都是很難經得住推敲和考證的，它們很難被重復實驗來驗證。有的根本沒有公布成分結構或者制備方法，就無法重復實驗；有的實驗現象極有可能是假象；有的實驗數據極有可能不可靠。其中，關于373 K超導的材料，所謂的“室溫超導磁懸浮”實驗更像是幾塊黑乎乎的材料堆疊在磁鐵上而已。而關于236 K超導那篇論文中的數據就被麻省理工學院的科研人員質疑，因為實驗數據噪聲模式“都是一樣的”，這在真實實驗中是不可能出現的事情。
這確實是令人沮喪的，因為絕大部分室溫超導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百年圣杯的擂臺。事實是，如果Ranga Dias這一次對于凝聚態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。