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南京大学团队推翻美国室温超导研究

2023-03-20 08:32:39   来源:中国科学报

“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Ranga Dias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David Ceperley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。

文章关键词:Dias,研究,材料,&rdquo,&ldquo 责编:刘鹏

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