21℃室溫超導成世紀騙局?中科院物理所發布驗證論文,沒復現成功

新智元 發佈 2024-03-30T17:06:23.416815+00:00

【新智元導讀】21攝氏度室溫超導如果是真的,那將是顛覆物理學的發現。21攝氏度室溫超導,難道又是一大騙局?

編輯:桃子 昕朋

【新智元導讀】21℃室溫超導如果是真的,那將是顛覆物理學的發現。3月9日,中科院物理所提交的一篇「室溫超導」驗證論文引網友圍觀。


21℃室溫超導,難道又是一大騙局?

3月9日,中科院物理所在arXiv上提交了一篇論文對其結果進行了驗證,登上了知乎熱榜。

論文中,科學家合成的二元鑥氫化合物(Lu4H23),能在71K(-202°C),218GPa條件下實現超導轉變。

論文地址:https://arxiv.org/abs/2303.05117

與Ranga Dias的研究結果相比,既不室溫,也不近常壓。

然而,Dias拒絕公開具體的研究數據和實驗步驟,這篇論文也算是一種「逼宮」。

沒復現成功?


「室溫超導」可以說是諾獎級別的工作。

3月8日,美國科學家Ranga Dias宣稱已經實現了室溫超導,一時間引爆全網。

隨之第二天,中科院發文稱,「讓子彈再飛一會兒。」

當然了,中科院物理所團隊並非蹭熱度。

Ranga Dias用的是「鑥-氫-氮」三元化合物,而中科院用的是「鑥-氫」二元化合物,還是有所不同。

論文中,中科院研究人員使用金剛石對頂砧在超高壓條件下合成了二元鑥氫化物(Lu4H23),在218 Gpa的超高壓下,實現鑥-氫71 K的超導轉變。

得出的主要結論是,在高壓下成功地合成出了LaH10和LaH6兩種鑥-氫化合物,並且發現這兩種化合物在一定的壓力下確實表現出了超導性。

但值得注意的是,這些化合物的超導轉變溫度仍然相對較低,最高的轉變溫度約為-23°C。

作者指出,在低於1.8GPa時,由於樣品質量下降、金剛石砧座對測量信號干擾增加以及其他未知因素影響等原因,他們無法得到可靠和穩定的數據 。

這篇論文的重要性在於,成功地復現了Dias等人所宣稱的室溫超導現象的核心實驗,即在高壓下合成鑥-氫化合物,並觀察到了其超導性。

其實,Ranga Dias早在一年前的Golden Conference就講過鑥-氮-氫的實驗結果,包括在Nature上文章的投稿時間也是2022年4月26日。

因此,業內相關工作的研究就開始了。

一直以來,其他團隊沒有復現出來。一方面,是因為Dias團隊沒有公布樣品合成細節,另一方面可能就是根本重複不出來。

在Dias論文中,只是給出了可能的材料結構,在具體製備方法上並沒有詳細介紹。其實從另一方面來看,將氮這個元素的加入,確實會有一定的挑戰。

如圖,Dias繪製的晶胞圖,白色原子是氫,綠色的是鑥,粉色的是不同位點的氫原子,他們給出的樣品化學式是LuH3−δNε。

可以說在71K,218GPa條件下實現超導轉變,是重複Dias工作很好的起點。

而下面研究繼續推進的重點,需要把氮N加進去,再看後續的結果。

然而,會有結果嗎?

再曝抄襲!博士論文也是抄的


最近,對Ranga Dias的進一步不當行為指控又浮出水面。

3月9日,《物理評論》對Dias等人合著的2021年6月的一篇論文展開了調查,這篇論文涉嫌操縱數據。

本月早些時候,佛羅里達大學物理學家James Hamlin稱,Dias的2013年博士論文抄襲了自己在2007年的論文。

Hamlin還告知 《物理評論快報》(PRL),Dias論文中的硒化鍺電阻率曲線與2021年PRL論文中的硫化錳電阻率曲線相似。然而,這兩種材料不應該有相同的電阻率曲線。

期刊的執行編輯Jessica Thomas證實,PRL已對該指控展開調查。他表示,這是一個相當嚴重的指控,我們不會掉以輕心。

為了理解這些指控,Physics雜誌獨立審查了Dias的論文,並與包括Dias在內的十幾位高溫超導專家進行了交談。儘管意見不一,但絕大多數人認為可能發生了某種形式的不當行為。

如果紐約羅切斯特大學的Ranga Dias和他的團隊觀察到室溫(294 K),近常壓的超導性,他們的發現可能是21世紀最大的科學進步之一。

這種突破將標誌著朝著室溫超導體改變電網、計算機處理器和醫學診斷工具的未來邁出的重要一步。

但在過去的3年裡,在其他研究人員對他們2020年室溫超導的主張提出質疑後,羅切斯特團隊,特別是Dias,一直被科學不當行為的指控所籠罩。

2022年9月,Nature雜誌報導了這一結果,該論文被撤回了。

Dias否認了這些指控,他表示,

「我真的把這一切看作是一場科學辯論。因此,儘管這些是毫無意義的、毫無根據的說法,但我真的認為這些正在促進科學的進步。」

他堅持認為,自己的兩種室溫超導性聲明的數據都是可靠和有效的。

聖杯摘下?為時過早


第一個室溫超導體?


超導體是一種電子以零電阻傳播的材料。

第一個已知的超導體只能保持在高達約25K的超導狀態。在20世紀80年代末,研究人員發現了第一個所謂的高溫超導體,其超導率高達90 K——液氮可以達到這種溫度。

科學家認為他們正處於室溫超導體革命的風口浪尖上。

1911年發現了第一個超導體Mercury

但是,到目前為止,這些早期實驗中使用的高溫超導體(主要是氧化銅)都沒有顯示其超導性保持在約160K以上,低於南極洲記錄的最冷溫度。

還有另一條預測的高溫超導路徑。模型表明,在巨大的壓力下,氫可以轉化為金屬,在數百開爾文時可以超導。

包括Dias和他的哈佛大學博士後顧問Isaac Silvera在內的幾組研究人員聲稱在實驗室中製造了金屬氫,但該州存在的確鑿證據仍然難以捉摸。

研究人員更幸運地創造了在較低壓力下凝固的金屬氫合金。

2009年,研究人員聲稱發現了第53種元素是超導體。在發現結果背後的數據受到操縱後,這一說法後來被撤銷。

2015年,來自德國的一個團隊報告了硫化氫(H(3)S)的超導性,為203 K和155 GPa。四年後,有報告稱氫化鑭(LaH(10))在250 K和170 GPa實現超導。第一個室溫超導體似乎觸手可及。

2020年10月14日,Dias和他的同事在《自然》雜誌上宣布,他們在含氫材料碳氫化合物(CSH)中發現了超導性,其含量為287 K和267 GPa——第一個室溫超導體。

其他科學家的初步反應在很大程度上是積極的。德國馬克斯·普朗克化學研究所的Mikhail Eremets說:「我給Dias打了電話,向他表示祝賀。」Eremets領導了報告2015年硫化氫超導結果的團隊。

但不是每個人都印象深刻。加州大學聖地亞哥分校的凝聚態理論家Jorge Hirsch是對富氫化合物中高溫超導的懷疑論者。

當CSH結果發布時,Hirsch立即檢查了論文是否有缺陷,並很快專注於磁易感性的測量,該屬性描述了磁場對材料的影響。與電阻一樣,當材料進入超導狀態時,磁易感性應該急劇下降——這是超導性的關鍵測試。

然後,隨著溫度進一步降低,它應該變平或非常緩慢地上升。

對Hirsch來說,《自然》論文中其中一個磁易感圖(特別是「擴展數據圖7d」的插入圖像)的形狀似乎很奇怪,因為較低溫度下的斜率顯示出急劇上升。這段令人費解的數據是導致更多問題的第一個。

為了了解2020年CSH數據,Hirsch檢查了2009年在PRL上發表的結果,該結果報告了銪的超導性。由於銪和CSH的行為非常不同(銪超導率僅達2.75 K),Hirsch驚訝地發現這兩種材料似乎具有形狀相似的磁易感性圖。

縱看兩篇論文的作者貢獻,Hirsch指出,兩套磁易感性測量都是由同一個人Matthew Debessai進行的,截至2021年在英特爾公司工作。佛羅里達大學高壓實驗家、銪論文的作者James Hamlin說,「數據表面上看起來相似......但它們並不是重複的。」

Hirsch被這些共同點所震驚,2020年11月,他向Debessai發送電子郵件,要求提供數據。Debessai沒有合作,所以Hirsch聯繫了該論文的其他作者,以獲得他想要的信息。

Hamlin說,「我破解了數據,我要向Jorge證明這些數據沒有問題。」

他說,然而事與願違,他發現了「一個又一個的問題」,包括似乎從一個溫度範圍複製和粘貼到另一個溫度範圍的磁易感性數據的一部分。

PRL收到警報,該論文於2021年12月23日被撤回。Hamlin的另一位合著者重複了銪實驗,發現並不存在超導性。

當Hamlin發現銪數據問題時,他與Dias和Ashkan Salamat會面,他是內華達大學拉斯維加斯分校的物理學家,也是CSH論文的作者。

但是,根據Hamlin的說法,Dias和Salamat似乎並不關心可能的不當行為。他說,他們似乎更擔心數據製造的消息會瘋傳。

無法複製的結果


當Hirsch調查已發布的CSH數據時,其他人試圖複製CSH結果。華盛頓特區卡內基研究所的材料科學家Alexander Goncharov說,論文中關於如何合成CSH的描述「稀缺但仍然足夠」。他認為複製是可行的。

Goncharov和他的團隊合成了CSH,但只能通過修改後的程序,在其中一個步驟中使用了不同的材料(甲烷取代了純碳)。Eremets也試圖重現Dias的結果,但經過六個月的工作,他說他放棄了。迄今為止,沒有一個無關的實驗證實了Dias的合成,更不用說觀察到CSH中的超導性了。

Eremets和Goncharov都聯繫了Dias,尋求合成CSH的指導,但他們說他們沒有得到任何幫助。

Eremets說,他習慣於在這些問題上進行更多的合作。當他宣布發現H(3)S中的超導性時,他讓休斯頓大學的高溫超導專家Paul Chu立即進入他的實驗室,以回應Chu的要求。

伊利諾伊大學芝加哥分校的凝聚態物理學家Russell Hemley說,「這是一個棘手的合成程序,而且通常不起作用。」

Hemley與Dias合作進行了最近的CSH實驗。他說,「你必須獲得恰到好處的初始壓力,並使用正確的雷射功率等。Eremets和Goncharov沒有成功的事實並沒有告訴我太多,只是它很棘手。」

理論家也很難對CSH結果進行建模。羅馬大學凝聚態物質理論家Lilia Boeri說,在過去的兩年半里,儘管進行了嚴格的理論搜索,但沒有人發現含有碳、硫和氫的單一結構,並且超導溫度與CSH相同。

相比之下,其他氫化物很容易被模擬,其超導過渡溫度計算在實驗值的5%以內。Boeri說,室溫超導CSH「不應該存在」。

Hemley認為,稱為虛擬晶體近似的簡化計算可以解釋CSH的屬性。然而,Boeri說,只有當化合物含有元素周期表中相鄰的元素,而碳和硫不是時,該近似值才適用。

數據風波


一年多來,Dias拒絕提供CSH數據文件。他聲稱,遲遲不來的專利是他無法共享的原因。

Hamlin稱,「我認為這純粹是胡扯。這些只是電壓與溫度數據。」

然後在2021年12月25日,即銪超導論文被收回兩天後,Dias和Salamat改變了主意,發布了磁易感性測量的完整數據集。

Hirsch開始與日內瓦大學的凝聚態物理學家Dirk van der Marel一起研究數據。他們很快就發現了一些奇怪的東西。

為了獲得CSH磁敏感性數據——超導性的關鍵證據——Dias和他的同事在Nature雜誌上寫道,他們進行了兩個獨立的電壓測量:來自超導CSH樣品的「原始」信號和非超導CSH樣品的背景信號。然後,他們從原始信號中減去背景,以獲得「乾淨」的信號。

當測量信號時,它以數據隨機波動的形式包含一些噪聲。獨立測量的信號將具有獨立的噪聲,從另一個信號中減去一個這樣的信號應該會導致至少具有如此多噪聲的乾淨信號,而這與Dias和同事所呈現的相反。

2022年9月26日,CSH的論文被撤回。Dias稱,「這是一種非標準的方法,我們還沒有披露它。所以這就是撤回的原因。Nature沒有質疑我們數據的有效性......數據是有效的。」

但Hamlin說,「非標準方法」並不能解釋數據關係。另一方面,很容易理解如何走向另一個方向,如何獲取已發布的數據並添加一些內容以獲取原始數據。

此外,在撤回後發表的一項分析中,Hamlin還發現了電阻率數據中的問題。

他發現,一些數據點由離散步驟分隔,而另一些則由光滑的斜坡分隔。雖然數位化創建了離散的步驟,但它不會在它們之間創建平滑的曲線。

當被問及Hamlin是否會在其他氫化物超導體的電阻率數據中看到類似的模式時,Dias的回答是肯定的。但在其他此類材料的測量中沒有看到階梯狀模式,與磁易感性數據不同,電阻率測量沒有可以引入它們的背景。

羅切斯特大學對CSH數據操縱指控進行了2次內部調查,由Steven Manly和Gilbert Collins領導。

據一位發言人稱,這兩項調查「都確定沒有證據支持這些擔憂」。但該大學沒有公開調查的職權範圍,也沒有為調查提供任何理由或如何得出結論的細節。

剽竊指控


當Hamlin研究Dias關於CSH的數據時,他在論文中發現了一些似曾相識的句子,這些句子和他在2007年的博士論文中寫的極其類似。

為此,Hamlin拿出了Dias的2013年論文,並將他的論文和Dias的論文進行對比。結果顯示,這兩篇文章包含許多相同的段落。Physics獨立比較了這兩篇論文,發現了數十個字對字匹配的段落和兩個有驚人相似之處的數字。

Hamlin關於磁易感性測量的論文第64頁和第66頁的段落(左)包含與Dias和Salamat的2021年arXiv論文第6頁相同的文本,其中兩人分享了原始CSH數據(右)。

針對他抄襲Hamlin論文的指控,Dias說他沒有做錯什麼,並稱「我有適當的引文。」

授予Dias博士學位的華盛頓州立大學拒絕評論他們是否進行了不當行為調查。羅切斯特大學的一份聲明說,「Dias博士對這些錯誤負責,並正在與他的論文顧問合作......修改論文。」

越來越多的指控和各種論文撤回導致Dias的同事對他的科學主張持謹慎態度。Eremets說,「儘管如此,我不想相信「這些指控」,因為它太嚴重了」。他更希望這個領域只是忘記不可複製的CSH結果,繼續前進。其他人不那麼寬容。

Hamlin說,「我認為在社區接受任何進一步的索賠之前,需要解決這些各種問題。」

對於van der Marel來說,新論文最大的問題是它處理2020年CSH結果的方式。Dias和他的同事在描述他們的背景減法技術時,積極引用了撤回的論文及其撤回通知——這是2020年CSH不當行為指控的核心。「我也不懂Nature的做法。他們為什麼讓這種情況發生?」他問。

關於研究可復現問題,Nature在2016年做了一個詳細調查,稱超過70%的研究人員無法復現其他科學家的實驗,甚至有一多半的人無法複製自己的實驗。

正如網友所說,

這種能復現的可能性很低,但不代表美國結論是假的。因為為了保護智慧財產權,維護實驗室技術機密,作者在論文裡故意略去一些實驗步驟,模糊化一些實驗條件,甚至是極小限度的修改正確實驗條件都是正常現象,為的就是防止有人看了論文之後後來居上。

因此,對於Dias的最新研究考證,還是有待時間的檢驗。

參考資料:

https://www.zhihu.com/question/588687533/answer/2931272192

https://mp.weixin.qq.com/s/xhiYIk6pKG9FjdcasQs-aQ

https://www.zhihu.com/question/588687533

https://physics.aps.org/articles/v16/40

https://www.thehindu.com/sci-tech/science/scientist-who-reported-room-temperature-superconductivity-faces-more-controversy/article66606747.ece

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