南京大學重復實驗再次推翻美國室溫超導轟動性研究

 聞海虎 圖片來源：南京大學

“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镥氮氫材料在近1萬個大氣壓（1GPa）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名作者、長達16頁的研究論文，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6.3GPa，溫度低至10K（約-263攝氏度），镥氮氫材料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，看見Dias在美國物理學會會議上的報告結果后，聞海虎火速安排重復實驗，“我們的初步樣品很快出來了，后來又作了一些調整”。

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，而數據分析也是有難度的，幸好他們“平時有很好的積累”。

實驗并非完全復刻。聞海虎發現，Dias給的制備樣品方案幾乎不可行，于是他們結合自己的條件，完全以新的方式進行合成并得到了镥氮氫材料。X射線衍射儀技術檢查顯示，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，盡管樣品中氮含量或許有所不同，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”。

為什么Dias的制備樣品方案不可行呢？Dias的方案是，用兩個小金剛石對微腔中的镥、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的材料制備方法存在明顯的不合理性，65攝氏度太低，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”，“除非用激光加熱，否則很難做出來”，然而Dias并沒有提到激光。聞海虎團隊采用了高溫高壓爐來燒，很快就得到了镥氮氫材料。

聞海虎考慮得更嚴謹。他說，這個材料在幾十萬個大氣壓下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與氫有關的超導屬性，硫化氫、稀土氫化物和堿土氫化物可以在超過200K的溫度下轉變為超導態。

Dias團隊這次將氫化镥中的部分氫換成氮，并宣稱在1GPa、20攝氏度的最高轉變溫度下測量到了超導。如果被證實，這將是史無前例的一大進步。

此前，中科院物理研究所研究員靳常青在接受《中國科學報》采訪時，提及Dias這次研究的幾個存疑細節，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》，富氫超導體和低氫超導體二者是“完全不同的系統”，Dias的結論顛覆了已有的認識。比如十氫化鑭超導轉變溫度為零下13攝氏度，已經很高了；而Dias的镥氮氫材料中，镥：氫摩爾比不到3，遠遠低于十氫化鑭，其超導轉變溫度卻高于十氫化鑭。

苗茂生說，很難想象Dias的镥氮氫材料會成為一個電聲子耦合超導。基于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，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，加上信號測量的噪聲非常大，這些都是容易產生誤判的因素。

除了聞海虎團隊的論文外，近期還有數篇有關氫镥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，多氫化镥在218GPa的壓力下超導轉變溫度為71K（約-202攝氏度）；當壓力釋放到181GPa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于室溫。

中科院物理研究所研究員程金光團隊于3月12日在arXiv發布了另一項研究。盡管他們的材料沒有添加氮元素，但他們在高達7.7GPa的壓力下對二氫化镥的測量表明，溫度低至1.5K（約-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、可重復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》雜志上的金屬氫研究和發表在《自然》雜志上的碳氫硫超導研究，均未具備這些因素。

《自然》雜志也注意到了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關于碳硫氫化物高溫超導的論文被撤回，對其最新研究的獨立測量數據將有助于消除疑慮。

苗茂生也提醒說，既然《自然》雜志接受了Dias的工作，那么就要嚴肅地討論它。如果要否定他的工作，那么就需要更多的證據和重復性驗證，后續應該會有多個驗證論文很快發表。

相關論文信息：https://doi.org/10.48550/arXiv.2303.08759