文｜孫滔
「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》說出這句話的時候，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團隊的室溫超導研究，他們宣稱自己研發的一種鑥氮氫材料在近1萬個大氣壓（1 GPa）下實現了室溫超導。
3月15日，聞海虎團隊在預印本網站arXiv提交了一篇包括9個作者、長達16頁的研究論文，題目是「氮摻雜氫化鑥（LuH2±xNy）近環境條件下不存在超導性」，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6.3 GPa，溫度低至10K（約-263攝氏度），鑥氮氫材料LuH2±xNy中不存在超導性。」
這距離Dias的研究發布只有8天，如果實錘，Dias將會再次被打臉。
復刻Dias實驗
3月7日，當看見Dias在美國物理學會會議上的報告結果，聞海虎火速安排重複實驗，「我們的初步樣品也很快出來了，後來又做了一些調整」。
為何效率如此之高？聞海虎稱，這是他們團隊加班加點、多位成員共同努力的結果。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，而數據分析也還是有難度的，幸好「我們平時有很好的積累」。
實驗並非完全的復刻。聞海虎發現，Dias給的製備樣品材料方案幾乎不可行，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。經X射線衍射儀技術檢查後，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。聞海虎說，這些發現足以否定Dias的常溫低壓下的超導結論。
因為Dias並沒有說明其研究材料中的氮含量，目前只能以材料結構來討論。聞海虎說，儘管樣品中氮含量或許會有所不同，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，「不能說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，用兩個小金剛石對著微腔中的鑥、氮氣和氫氣在65攝氏度下加壓到1萬個大氣壓。聞海虎分析說，Dias的材料製備方法存在明顯的不合理性，65度太低，這個溫度下能產生金屬和氮氣、氫氣的反應是不可思議的。
聞海虎說，Dias可能給了一個錯誤的條件，或許是溫度少了一個「0」，「除非用雷射加熱，否則很難做出來」，然而Dias並沒有提到雷射。聞海虎團隊採用了高溫高壓爐來燒，很快就得到了鑥氮氫材料。
聞海虎考慮到了更嚴謹的情形。他說，這個材料在幾十萬大氣壓是否會出現高溫超導，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從氫氣到富氫化合物這類與氫有關的超導屬性，包括硫化氫、稀土氫化物和鹼土氫化物可以在超過200K的溫度下轉變為超導態。
Dias團隊這次將氫化鑥中的部分氫換成氮，並宣稱在1 GPa、20攝氏度的最高轉變溫度下測量到了超導。如果證實，這將是史無前例的一大步。
此前，中國科學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的細節，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，其超導轉變溫度越高。
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》，對於富氫超導體和低氫超導體，二者「是完全兩個不同的系統」，Dias的結論顛覆了已有的認識。比如「LaH10」（十氫化鑭）超導轉變溫度為零下13℃，已經很高；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，其超導轉變溫度卻高於十氫化鑭。
苗茂生說，很難想像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溫度應該在十幾K。
他提示說，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，加上信號測量的噪音就會非常大，這些都是容易產生誤判的因素。
除了聞海虎團隊，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218 GPa的壓力下超導轉變溫度為71K（約-202攝氏度）；當壓力釋放到181 GPa時，超導轉變溫度降低到65K（約-208攝氏度）。這些超導轉變溫度都遠遠低於室溫。
中國科學院物理研究所研究員程金光團隊於3月12日在arXiv發布了另一項研究，儘管他們的材料沒有添加氮元素，然而他們在高達7.7 GPa的壓力下對二氫化鑥測量表明，溫度低至1.5K（約為-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、可重複性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，包括發表在《科學》雜誌上的金屬氫研究和在《自然》雜誌發表的碳氫硫超導研究，均未具備這些因素。
《自然》雜誌也注意到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關於碳硫氫化物高溫超導的論文被撤回，那麼對其最新研究的獨立測量數據將有助於消除疑慮。
苗茂生也提醒說，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就需要更多的證據和重複性驗證，後續應該會有多個驗證實驗很快發表。
參考：
https://mp.weixin.qq.com/s/rk8psZLFWP7I6IyMkr2nPQ
https://mp.weixin.qq.com/s/bSQ_BvGcB4nUJppVr5u26g
https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/3/495960.shtm