唐驳虎:室温超导颠覆性突破?已是此人第三次吹牛

作者: 唐驳虎

本文转载自:凤凰网(ID:ifeng-news)

唐驳虎:室温超导颠覆性突破?已是此人第三次吹牛

轰动全球的室温超导颠覆性突破,主导该项目的科学家Dias有过什么成就?这次“突破”,何时能通过实验来验证成色?凤凰网《唐驳虎》解析。

核心提要:

1. 3月9日下午开始,社交网络上“美国高温超导颠覆性突破”话题被热议,仿佛回到1987年铜氧化物“高温”超导突破而召开的美国物理学会的三月年会。不同的是,本次“颠覆性突破”的研究者兰加·迪亚斯之前两次“物理突破”都被狼狈撤稿,这次很大概率也是哗众取宠。

2 . 2017年,兰加·迪亚斯宣称用一对人造金刚石形成的“对顶砧”可以制造出极端高压,从而产生“金属氢”。然而当人们期待他们测量金属氢超导性时,他们却以金刚石对顶砧用完了的借口逃避;实验的关键证据也只是用iPhone拍下的,极不专业。引发一片质疑。

3. 2020年10月14日,迪亚斯课题组发表了论文“碳氢硫化物中室温超导电性”。因为关键数据结果受到学界强烈质疑,最终经过两年争论,《Nature》在2022年9月对该论文撤稿处理。

4. 半年后,迪亚斯卷土重来,宣布了这一次的研究成果并公布了测量数据,形成了热议。全球的实验物理学家都跃跃欲试进行实验,成果真假很快就会分明。这次事件,在美国除了物理学界外关注不多,却在中国网络意外出圈,可见国人对科学技术进展更加关注了。

作者|唐驳虎

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百年超导路,今朝抵室温?3月9日下午开始,在中国社交网络,“美国高温超导颠覆性突破”开始刷屏。
先不说别的,那有些夸张的场面,恍惚之间,仿佛令人回到了整整36年前,1987年美国物理学会的三月年会。
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那次是铜氧化物的“高温”超导突破。“高温”指的是超导研究告别了80年的踌躇不前,骤然跃升到了液氮区间(沸点 77 K、-195.6℃)。
突破者包括找到新方向的IBM公司瑞士苏黎世研究院的瑞士人缪勒,以及休斯顿大学华裔物理学家朱经武研究组刚刚找到临界温度高达 93 K 的铜氧化物材料。
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这项比氮的沸点高16度的重大突破是在会前不久才公布的,以至没有列入议程。即便如此,主办方仍在最后的3月18日晚上临时安排了学术报告大会。
会议晚上七点半开始,开始前两小时就有人排队,最后排队者有2000多人。门一打开,1100名物理学家们毫无风度地一拥而入,瞬间挤满了纽约希尔顿酒店的宴会厅。

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1987年美国物理学会三月年会
挤不进去的人,只好在酒店找闭路电视观看。这场马拉松式的会议,有多达51人上台宣讲研究进展,因为几十个研究小组都在竞争研究类似的铜氧化物。
其中最引人注目的演讲者就是缪勒和朱经武,每人10分钟时间,其他人每人只能有5分钟。会议一直进行到凌晨3点才结束。

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中国物理学家赵忠尧是发言者之一,也是铜氧化物探索的主要参与者
会议结束后,物理学家们仍没有退场的意思,依然热烈地讨论。直到天亮,人群才散。这是学术会议史上最热烈的学术研讨。
因此这次会议被称为“物理界的伍德斯托克(Woodstock of Physics)”,兴奋、朝气,对未来的憧憬令人怀念(伍德斯托克是1969年流行音乐史上最盛大的音乐节)。
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相比之下,这次在拉斯维加斯召开的三月年会。“发现者”突然公布的场面,虽然也轰动而热烈,包括朱经武先生等学界大佬也在前排就坐。
但房间大小、热烈氛围还是远逊于1987年。当然,场面是次要的,关键这件事的真实性如何?
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这事不敢说100%是假,但哗众取宠逗你玩的概率起码有90%。为什么?因为他就是物理学界已经浪得大名的Dias啊!

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“金属氢”
兰加·迪亚斯(Ranga Dias)是斯里兰卡人,2006年本科毕业于科伦坡大学,然后到美国华盛顿州立大学留学,2013年拿到博士学位。
随后到哈佛大学做博士后研究,在超高压专家伊萨克·席尔瓦拉(Issac Silvera)的实验室工作。
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2017年,Dias 和 Silvera 宣布在495 GPa(1 GPa = 1万倍大气压)下实现了金属氢,实现了高压物理梦寐以求的目标。
早在1935年物理学家就预言,在超高压下,氢分子的化学共价键将被压开,最终形成由金属键连接而组成的氢原子晶体,即具有金属性质的金属氢。
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但理论计算表明,实现这个转变需要的压力大约是400~500万倍大气压,相比之下,地心的压强也只是370万倍大气压。
不过在超级气态行星——土星和木星的核心,则应该都是以金属形态存在的氢。至于人类如何制造如此极端的压力,只能靠最硬的物质——金刚石来实现。
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用一对精心打磨的人造金刚石形成 “对顶砧” ,在微小端面用离子刻蚀形成高压腔体,再使劲加压,就可以制造出极端高压。
由于氢本身性质活泼、在高压下会发生 “氢脆” 现象——因为氢元素渗入金刚石碳原子而导致硬度突然降低碎裂,还需要在端面涂上一层不活泼的氧化铝涂层。
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作为重大物理突破,他们的成果迅速发表在《Science》上。正当物理学界一片欢呼,期待他们的进一步研究成果——测量金属氢的超导性时,他们却说金刚石对顶砧用完了,不想再弄。
一对金刚石对顶砧3000美元,他们已经用废也就是压碎了几十对,才实现了一次这样的成果。而且第一作者也就是主要研究人Dias,在哈佛的博士后研究期满,正忙着找工作,没心思弄。
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随之而来的,便是一片质疑声。500 GPa的高压技术虽然很难,但国际上仍有几个研究组是可以做到的,但他们都没有重复出来金属氢的实验结果。
更令人难以置信的是,这篇论文的关键证据,只是用iPhone摄像头拍下的显微镜视场,一张反射着金属光泽的照片。除此之外什么都没有,显得极其不专业。
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科学家们有充分理由怀疑,那所谓的“金属光泽”只是在超高压下的氧化铝涂层的色泽变化,而不是金属氢。
尽管 Dias 后来补发了所谓的物化结构测量数据,证明这是金属氢。 但业界的普遍态度都是——“我信你个鬼”。

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超高压常温超导
根据理论计算,金属氢的一个重要性质就是它在超高压下的超导特性。但实现金属氢所需的压力实在太大了。
不过,一些氢的化合物有可能不需要那么高的压力,就能实现金属化乃至超导特性。
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近年来,氢化合物的超高压超导特性研究是物理学界的热门话题。其中中国科学家发现CaH6在160~180 GPa下达到了临界温度 210 K。
美国-德国科学家发现LaH10在188 GPa下达到了临界温度 260 K ,距离室温只有一步之遥。
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2020年10月14日,《Nature》 发表了题为 “碳氢硫化物中室温超导电性” 的论文,作者就是 Dias 的课题组。他已经在纽约州的罗切斯特大学担任助理教授。
论文的关键结果是 碳-硫-氢(C-S-H)的三元化合物在 267 GPa左右,可以实现 288 K左右的超导电性,对应的摄氏温度为15℃。超导材料的临界温度首次突破到0℃以上。
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这项刷新纪录的成果引发了巨大轰动,并被评为2020年度十大科学突破之一,但也遭到了科学界广泛的质疑。
质疑最强烈的,就是加州大学圣地亚哥分校的超导研究老兵、理论物理学家乔治·赫希(Jorge Hirsch)。
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Hirsch 1953年生于阿根廷,在布宜诺斯艾利斯大学本科毕业后到美国留学,1980年从芝加哥大学拿到博士学位,主要研究方向就是超导物理。
相比学术成就,Hirsch 更出名的就是他发明的 H-index,指一名科研人员多少篇论文被引用了多少次,作为科研人员影响力的排名。这是被目前科学界普遍采用的评价体系。
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Hirsch 质疑的焦点在于认为 Dias 的课题组的抗磁磁化率的结果可能是捏造的, 认为 Dias 可能虚构了一条没有经过实验检验的背景信号,用来扣除环境背景。
因为超导的两大特性,除了具有绝对零电阻,还要求具有完全抗磁性,也就是在磁场下超导体内部磁感应强度为0。
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这个特性由德国科学家迈斯纳(Meissner)等人发现,又称为迈斯纳效应。零电阻的测量相对容易实现,而抗磁性的证明则相对困难。
因为在实验环境下有很多的附属装置带来很强的磁背景信号,需要扣除实验装置带来的背景信号,才能得到真实结果。但这需要专门精心测量背景信号,Hirsch 质疑 Dias 是杜撰的。
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另外, Dias 他们并没有明确给出 碳-硫-氢(C-S-H)材料的比例、结构和化学式,导致全球同行都没能重复得出相同的结果。
在强烈的质疑声浪下,经过两年的争论,《Nature》在2022年9月26日决定对论文撤稿处理。

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高压常温超导?
时隔半年, Dias 在美国物理学会的三月年会上卷土重来, 宣读了新的研究发现:镥-氮-氢三元体系超导材料,临界转化温度294K,也就是21℃,真正的室温条件。
而且转化压力骤降到1万大气压,惊不惊喜?Dias 还一同公布了零电阻、迈斯纳效应等测量数据。这就是轰动中国的“美国高温超导颠覆性突破”。
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美国物理学会的主办方还特地把 Jorge Hirsch 与 Ranga Dias安排在同一个会场,前后脚做报告。
而且现场吃瓜群众还拍到了受伤的 Jorge Hirsch 缠着绷带与 Ranga Dias 近距离对视的场面,戏剧效果拉满。
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另外,还出现了一个乌龙。Dias 用的是 10k bar这个单位,实际上就是1万倍大气压。有些媒体误写成 10k Pa = 0.1个大气压。但是 1 bar = 1公斤力/平方厘米= 100 k Pa ≈ 1个大气压,也叫工程大气压。
至于1万个大气压嘛……虽然对普通人来说还是高不可攀,但基本上像样的大学实验室都有这个实验条件,不再像300万、500万大气压那样“高精尖”了。
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现在全球的实验物理学家都在跃跃欲试了,看看能不能重复乃至做出比 Dias 更好的结果。可要是别人都做不出来,那就遭咯。
这哥们博士毕业10年,从“金属氢”、超高压常温超导到高压常温超导,已经连续三次宣布取得了“史诗级的”轰动物理突破。
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结果前两次都被狼狈撤稿,无果而终。鉴于 Dias 课题组的学术声誉,对这个结果保留强烈的谨慎态度。这次只能选择让子弹多飞一会。
不过,如果用我们小时候常听的经典童话“狼来了”做比方的话,他已经喊了前两次了。
如果这次再次被证伪,那这哥们就彻底身败名裂了, 学术界再无他的容身之地。如果能够证实,那么Dias的确拥有跻身名人堂的资格。
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真是假?很快就能知道嘛。但是,其他物理学家的确已经实现了氢化合物在超高压下的的近室温临界温度,并得到了同行的认可。
但麻烦是至今对“高温”超导的理论诠释还极不完整,物理学家至今未能搞清楚“高温”超导的机理,最多是有一个大概的方向。
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这次科学传播事件,在美国除了物理学界之外几乎毫无波澜,却在中国网络意外出圈,许多人对超导感兴趣。
全民对科学技术进展敏感挺好,总比整天关注娱乐八卦好多了。 至于神秘的超导,实用化的难度以后有机会再详细说吧。
本文作者系凤凰新闻客户端荣誉主笔


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