南京大学闻海虎团队重复实验再次推翻美国室温超导轰动性研究

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闻海虎图片来源：南京大学

“这个结论肯定是推翻了，毋庸置疑的。”南京大学超导物理和材料研究中心主任闻海虎对《中国科学报》说出这句话的时候，语气足够坚决。“这个结论”，指的就是当下大火的美国罗切斯特大学RangaDias团队的室温超导研究。他们宣称自己研发的一种镥氮氢材料在近1万个大气压（1GPa）下实现了室温超导。3月15日，闻海虎团队在预印本网站arXiv提交了一篇包括9名作者、长达16页的研究论文，直截了当否定了Dias的研究结论。论文结论称：“我们的实验清楚地表明，从环境压力到6.3GPa，温度低至10K（约-263摄氏度），镥氮氢材料LuH2±xNy中不存在超导性。”这距离Dias的研究发布只有8天，如果实锤，Dias将会再次被打脸。复刻Dias实验3月7日，看见Dias在美国物理学会会议上的报告结果后，闻海虎火速安排重复实验，“我们的初步样品很快出来了，后来又作了一些调整”。为何效率如此之高？闻海虎称，这是他们团队加班加点共同努力的结果。事实上，这个复刻实验“难度不是很大”，但是“测量起来还是有难度的”，因为需要精细的信号，而数据分析也是有难度的，幸好他们“平时有很好的积累”。实验并非完全复刻。闻海虎发现，Dias给的制备样品方案几乎不可行，于是他们结合自己的条件，完全以新的方式进行合成并得到了镥氮氢材料。X射线衍射仪技术检查显示，该材料结构与Dias的样品几乎一致，且能量色散X射线光谱仪分析也发现了氮元素。闻海虎团队随即在6万个大气压以下的不同压力中，对该材料电阻进行了测量，发现低至10K都没有超导发生。同时，他们也进行了仔细的磁化测量，发现没有超导所需的抗磁信号。闻海虎说，这些发现足以否定Dias的常温低压下的超导结论。因为Dias没有说明其研究材料中的氮含量，目前只能以材料结构来讨论。闻海虎说，尽管样品中氮含量或许有所不同，但是材料结构一样、3种元素兼具，这个情况下要有超导就应该产生了，“不能说那一点成分的改变会决定超导或不超导”。为什么Dias的制备样品方案不可行呢？Dias的方案是，用两个小金刚石对微腔中的镥、氮气和氢气在65摄氏度下加压到1万个大气压。闻海虎分析说，Dias的材料制备方法存在明显的不合理性，65摄氏度太低，这个温度下能产生金属和氮气、氢气的反应是不可思议的。闻海虎说，Dias可能给了一个错误的条件，或许是温度少了一个“0”，“除非用激光加热，否则很难做出来”，然而Dias并没有提到激光。闻海虎团队采用了高温高压炉来烧，很快就得到了镥氮氢材料。闻海虎考虑得更严谨。他说，这个材料在几十万个大气压下是否会出现高温超导还不能下结论，“我们也正在做”。需要更多的验证从1968年到今天，物理学家一直在研究与氢有关的超导属性，硫化氢、稀土氢化物和碱土氢化物可以在超过200K的温度下转变为超导态。Dias团队这次将氢化镥中的部分氢换成氮，并宣称在1GPa、20摄氏度的最高转变温度下测量到了超导。如果被证实，这将是史无前例的一大进步。此前，中科院物理研究所研究员靳常青在接受《中国科学报》采访时，提及Dias这次研究的几个存疑细节，包括合成样品结构不清楚、氢的含量太低（与之前发现的富氢超导体迥异）。为何氢的含量如此重要？这与学界对超导的一种固有认识有关。一般而言，超导材料中氢含量越高，其超导转变温度越高。计算化学家、美国加州州立大学北岭分校副教授苗茂生告诉《中国科学报》，富氢超导体和低氢超导体二者是“完全不同的系统”，Dias的结论颠覆了已有的认识。比如十氢化镧超导转变温度为零下13摄氏度，已经很高了；而Dias的镥氮氢材料中，镥：氢摩尔比不到3，远远低于十氢化镧，其超导转变温度却高于十氢化镧。苗茂生说，很难想象Dias的镥氮氢材料会成为一个电声子耦合超导。基于电声子耦合理论计算得出，这个材料的超导转变温度应该在十几K。他提示，高压实验是非常难做的实验，样品特别小，合成条件又很难达到非常均匀，加上信号测量的噪声非常大，这些都是容易产生误判的因素。除了闻海虎团队的论文外，近期还有数篇有关氢镥材料的类似研究发表。更早的研究来自靳常青团队。3月9日，他们在arXiv发表研究称，多氢化镥在218GPa的压力下超导转变温度为71K（约-202摄氏度）；当压力释放到181GPa时，超导转变温度降低到65K（约-208摄氏度）。这些超导转变温度都远远低于室温。中科院物理研究所研究员程金光团队于3月12日在arXiv发布了另一项研究。尽管他们的材料没有添加氮元素，但他们在高达7.7GPa的压力下对二氢化镥的测量表明，温度低至1.5K（约-272摄氏度）时没有超导性。值得关注的是，Dias的两次“前科”让人无法对其研究放心。可测试、可重复和透明度是科学研究具有可信度的重要因素。Dias此前的两次重要研究，包括发表在《科学》杂志上的金属氢研究和发表在《自然》杂志上的碳氢硫超导研究，均未具备这些因素。《自然》杂志也注意到了Dias的过往。靳常青和美国伊利诺伊大学香槟分校的DavidCeperley在该期刊发表评论文章称，因为Dias关于碳硫氢化物高温超导的论文被撤回，对其最新研究的独立测量数据将有助于消除疑虑。苗茂生也提醒说，既然《自然》杂志接受了Dias的工作，那么就要严肃地讨论它。如果要否定他的工作，那么就需要更多的证据和重复性验证，后续应该会有多个验证论文很快发表。

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